Los investigadores han mirado detrás de la cortina de la transición de fase ultrarrápida del dióxido de vanadio y han descubierto que su teatralidad atómica es mucho más complicada de lo que pensaban. Es un material que ha fascinado a los científicos durante décadas por su capacidad para pasar de ser un aislante eléctrico a un conductor.

El estudio, que aparece el 2 de noviembre en la revista Ciencias , es una colaboración entre investigadores de la Universidad de Duke, el SLAC National Accelerator Laboratory en Stanford, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y el Instituto de Investigación sobre Radiación Sincrotrón de Japón.

Los investigadores han estudiado intensamente el dióxido de vanadio durante más de cinco décadas debido a su inusual capacidad para cambiar de aislante a conductor a la temperatura convenientemente alcanzable de 152 grados Fahrenheit. Mientras que otros materiales también son capaces de esta transición, la mayoría ocurren muy por debajo de la temperatura ambiente, haciendo del dióxido de vanadio una mejor opción para aplicaciones prácticas.

Más recientemente, Los científicos de materiales han explorado cómo se produce esta misma transición de fase cuando la estructura atómica del material es excitada por un pulso láser ultrarrápido. Lo que hace que el fenómeno sea tan difícil de estudiar es la notable velocidad a la que ocurre, alrededor de 100 femtosegundos. Eso es una décima de millonésima de millonésima de segundo.

Los pulsos de rayos X ultrabrillantes en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, sin embargo, son incluso más rápidos.

Al activar la transición de fase eléctrica del dióxido de vanadio con un láser de femtosegundos y luego hacer ping a sus átomos con pulsos de rayos X de solo decenas de femtosegundos de duración, Los investigadores pudieron ver cómo se desarrollaba la transición con todo detalle por primera vez. Encontraron que en lugar de pasar de una estructura atómica a otra de forma directa, manera colaborativa, los átomos de vanadio llegaron a sus destinos a través de rutas más impredecibles e independientemente unos de otros.

"Se propuso que el material iría de una estructura cristalina a otra siguiendo un determinista, barajar bien definido, "dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke y uno de los líderes del estudio. "En lugar de eso, descubrimos que incluso dentro de una sola transición, cada átomo hace lo suyo independientemente de los demás ".

"El desorden que encontramos es muy fuerte, lo que significa que tenemos que repensar cómo estudiamos todos estos materiales que pensamos que se comportaban de manera uniforme, "dijo Simon Wall, profesor asociado del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona y uno de los líderes del estudio.

"No se mueven suavemente hacia sus nuevas posiciones como miembros de una banda marchando por un campo; se tambalean como fiesteros que salen de un bar a la hora de cierre, "Dijo Wall." Si nuestro objetivo final es controlar el comportamiento de estos materiales para que podamos cambiarlos de una fase a otra, es mucho más difícil controlar al coro de borrachos que a la banda de música ".

Para desentrañar el significado de las observaciones experimentales, El grupo de Delaire en Duke también dirigió simulaciones por supercomputadora de la dinámica atómica en el material. Las simulaciones se ejecutaron en supercomputadoras en el centro de Computación Científica de Investigación de Energía Nacional y la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge.

"Fue alucinante cuando mi estudiante Shan Yang me mostró los resultados de sus simulaciones cuánticas de movimientos atómicos, "continuó Delaire." Coincidía casi perfectamente con las 'películas' experimentales de intensidades de rayos X registradas, incluso sin la necesidad de parámetros ajustables ".

Estudios previos no tuvieron acceso a la resolución espacial y temporal que ofrece el LCLS, y solo podía medir promedios de los comportamientos atómicos del material. Debido a estas limitaciones, no pudieron ver la importancia de las desviaciones aleatorias de los movimientos promedio de los átomos de vanadio.

Sin embargo, con la sensibilidad del LCLS, los investigadores pudieron obtener una imagen mucho más clara de lo que estaba sucediendo.

"Es como si los astrónomos estuvieran estudiando el cielo nocturno, ", dijo Delaire." Estudios anteriores solo podían ver las estrellas más brillantes visibles a simple vista. Pero con los pulsos de rayos X ultrabrillantes y ultrarrápidos, pudimos ver las señales débiles y difusas de la Vía Láctea entre ellos ".

Este estudio, y a otros les gusta, son clave para comprender el comportamiento de los materiales fotoexcitados. Por ejemplo, si se usa correctamente, la reacción atómica del dióxido de vanadio revelada en este estudio podría formar la base de transistores ultrarrápidos para computadoras que combinan fotones y electrones. Y los investigadores también están utilizando este concepto general en la búsqueda del sueño de los superconductores a temperatura ambiente.

"El nuevo conocimiento que obtuvimos en el proceso de la transición fotoinducida de aislante a metal en dióxido de vanadio debería ser directamente relevante para reevaluar nuestra comprensión de otros materiales, ", dijo Delaire." Estamos empezando a explorar este nuevo ámbito de poder controlar el comportamiento de los materiales con solo iluminarlos, y la combinación de instalaciones de rayos X de última generación con supercomputadoras para seguir lo que está sucediendo. Y estamos descubriendo que la dinámica atómica involucrada es incluso más complicada de lo que habíamos pensado anteriormente ".