En experimentos en SLAC, Se utilizaron pulsos únicos de luz láser para cambiar el disulfuro de tantalio de un estado a otro y viceversa. En el sentido de las agujas del reloj desde la izquierda:un solo pulso de luz hace girar el material desde su inicial, estado alfa (rojo) en una mezcla de estados alfa y beta (azul) que están separados por paredes de dominio (derecha). Un segundo pulso de luz disuelve las paredes del dominio y el material vuelve a su estado original. Conmutadores como este podrían conducir al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos de almacenamiento de datos. Crédito:Science Advances
Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y el Instituto de Tecnología de Massachusetts han demostrado una forma sorprendentemente simple de voltear un material de un estado a otro, y luego de vuelta otra vez, con destellos únicos de luz láser.
Este comportamiento de conmutación es similar a lo que sucede en los materiales de almacenamiento de datos magnéticos, y hacer el cambio con luz láser podría ofrecer una nueva forma de leer y escribir información en dispositivos de almacenamiento de datos de próxima generación, entre otras aplicaciones sin precedentes, dice Nuh Gedik, investigador principal del estudio en el MIT. El equipo informó hoy sus resultados en Avances de la ciencia .
Ondas congeladas de electrones
En los dispositivos de hoy, la información se almacena y recupera volteando el espín de los electrones con un campo magnético. "Pero aquí cambiamos una propiedad material diferente conocida como ondas de densidad de carga, "dice Alfred Zong, estudiante de posgrado en el grupo de Gedik y uno de los autores principales del estudio.
Las ondas de densidad de carga son picos y valles periódicos en la forma en que los electrones se distribuyen en un material. Están inmóviles como olas heladas en un lago helado. Los científicos quieren aprender más sobre estas ondas porque a menudo coexisten con otras propiedades materiales interesantes, como la capacidad de conducir electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas, y potencialmente podría estar relacionado con esas propiedades.
Esta imagen de microscopía electrónica de transmisión muestra una pared de dominio (marcada con círculos amarillos) entre dos estados diferentes, alfa (área roja) y beta (área azul), en un cristal de disulfuro de tantalio. El estado beta y la pared del dominio se formaron después de que el cristal fuera golpeado con un solo pulso de luz. Crédito:Science Advances
El nuevo estudio se centró en el disulfuro de tantalio, un material con ondas de densidad de carga que están todas orientadas en la misma dirección en lo que se llama estado alfa. Cuando los investigadores golpearon un cristal delgado del material con un pulso láser muy breve, algunas de las ondas cambiaron a un estado beta con una orientación de electrones diferente, y las regiones alfa y beta estaban separadas por paredes de dominio. Un segundo destello de luz disolvió las paredes del dominio y devolvió el material a su estado alfa puro.
Cambio de material sorprendente
Estos cambios en el material, que nunca antes se había visto, fueron detectados con el instrumento de SLAC para difracción ultrarrápida de electrones (UED), una "cámara de electrones" de alta velocidad que sondea los movimientos de la estructura atómica de un material con un poderoso haz de electrones muy energéticos.
"Buscábamos otros efectos en nuestro experimento, así que nos sorprendió por completo cuando vimos que podemos escribir y borrar paredes de dominio con pulsos de luz únicos, "dice Xijie Wang, jefe del grupo UED de SLAC.
Los patrones de intensidad registrados con la "cámara de electrones" de SLAC mostraron a los investigadores cómo la estructura atómica de un cristal de disulfuro de tantalio respondía a los destellos de láser. cambiar de un estado alfa (izquierda) a un estado alfa / beta (derecha) y viceversa. Los patrones de intensidad se utilizaron para reconstruir la estructura atómica. Crédito:Science Advances
Anshul Kogar, un investigador postdoctoral en el grupo de Gedik, dice, "Los muros de dominio son una característica particularmente interesante porque tienen propiedades que difieren del resto del material". Por ejemplo, podrían desempeñar un papel en el cambio drástico observado en la resistencia eléctrica del disulfuro de tantalio cuando se expone a pulsos de luz ultracortos, que fue previamente observado por otro grupo.
Xiaozhe Shen, científico del personal de SLAC, uno de los autores principales del estudio en el equipo de Wang, dice, "UED nos permitió analizar en detalle cómo se formaron los dominios a lo largo del tiempo, qué tan grandes eran y cómo estaban distribuidos en el material ".
Los investigadores también encontraron que pueden afinar el proceso ajustando la temperatura del cristal y la energía del pulso de luz. dándoles control sobre el cambio de material. En un próximo paso, el equipo quiere ganar aún más control, por ejemplo, dando forma al pulso de luz de manera que permita generar patrones de dominio particulares en el material.
"El hecho de que podamos afinar un material de una manera muy simple parece muy fundamental, ", Dice Wang." Tan fundamental, De hecho, que podría convertirse en un paso importante hacia el uso de la luz para crear las propiedades materiales exactas que queremos ".
