Golpear un material con luz láser envía vibraciones a través de su red de átomos, y al mismo tiempo puede empujar la celosía a una nueva configuración con propiedades potencialmente útiles:convertir un aislante en un metal, por ejemplo.

Hasta ahora, Los científicos asumieron que todo esto sucedió de manera suave, forma coordinada. Pero dos nuevos estudios muestran que no es así:cuando miras más allá de la respuesta promedio de los átomos y las vibraciones para ver lo que hacen individualmente, la respuesta, ellos encontraron, es desordenado.

Los átomos no se mueven suavemente a 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 cerrar.

Y las vibraciones activadas por láser no se extinguen simplemente; desencadenan vibraciones más pequeñas que desencadenan incluso otras más pequeñas, difundiendo su energía en forma de calor, como un río que se ramifica en una compleja red de arroyos y riachuelos.

Este comportamiento impredecible a pequeña escala, medido por primera vez con una nueva técnica de láser de rayos X en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, deberá tenerse en cuenta a partir de ahora a la hora de estudiar y diseñar nuevos materiales, dijeron los investigadores, especialmente materiales cuánticos con aplicaciones potenciales en sensores, ventanas inteligentes, almacenamiento y conversión de energía y conductores eléctricos súper eficientes.

Dos equipos internacionales separados, incluidos investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford que desarrollaron la técnica, informó los resultados de sus experimentos el 20 de septiembre en Cartas de revisión física y hoy en Ciencias .

"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 tres líderes del estudio informados en Ciencias . "Si nuestro objetivo final es controlar el comportamiento de estos materiales para poder cambiarlos de una fase a otra, es mucho más difícil controlar al coro de borrachos que a la banda de música ".

Levantando la neblina

La forma clásica de determinar la estructura atómica de una molécula, ya sea de un material hecho por el hombre o de una célula humana, es golpearlo con rayos X, que rebotan y se dispersan en un detector. Esto crea un patrón de puntos brillantes, llamados picos de Bragg, que se puede utilizar para reconstruir cómo están ordenados sus átomos.

Fuente de luz coherente Linac de SLAC (LCLS), con sus pulsos de láser de rayos X superbrillantes y ultrarrápidos, ha permitido a los científicos determinar las estructuras atómicas con cada vez más detalle. Incluso pueden tomar instantáneas rápidas de la rotura de enlaces químicos, por ejemplo, y encadenarlos para hacer "películas moleculares".

Hace aproximadamente una docena de años, David Reis, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES), me pregunté si una leve neblina entre los puntos brillantes en el detector - 10, 000 veces más débil que esos puntos brillantes, y considerado solo ruido de fondo, también podría contener información importante sobre los cambios rápidos en los materiales inducidos por pulsos de láser.

Él y el científico de SIMES, Mariano Trigo, desarrollaron una técnica llamada "dispersión difusa ultrarrápida" que extrae información de la neblina para obtener una imagen más completa de lo que está sucediendo y cuándo.

Los dos nuevos estudios representan la primera vez que se utiliza la técnica para observar detalles de cómo la energía se disipa en los materiales y cómo la luz desencadena una transición de una fase. o estado, de un material a otro, dijo Reis, quien junto con Trigo es coautor de ambos artículos. Estas respuestas son interesantes tanto para comprender la física básica de los materiales como para desarrollar aplicaciones que utilizan la luz para encender y apagar las propiedades de los materiales o convertir el calor en electricidad. por ejemplo.

"Es como si los astrónomos estuvieran estudiando el cielo nocturno, "dijo Olivier Delaire, un profesor asociado de la Universidad de Duke que ayudó a dirigir uno de los estudios. "Los 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 ".

Pequeñas campanas y cuerdas de piano

En el estudio publicado en Cartas de revisión física , Reis y Trigo dirigieron un equipo que investigó las vibraciones llamadas fonones que hacen vibrar la red atómica y propagan el calor a través de un material.

Los investigadores sabían que los fonones activados por los pulsos de láser decaen, liberando su energía a través de la red atómica. Pero, ¿a dónde va toda esa energía? Los teóricos propusieron que cada fonón debe desencadenar otro, fonones más pequeños, que vibran a frecuencias más altas y son más difíciles de detectar y medir, pero estos nunca se habían visto en un experimento.

Para estudiar este proceso en LCLS, el equipo golpeó una fina película de bismuto con un pulso de luz láser óptica para activar fonones, seguido de un pulso de láser de rayos X aproximadamente 50 billonésimas de segundo más tarde para registrar cómo evolucionaron los fonones. Los experimentos fueron dirigidos por el estudiante graduado Tom Henighan y el investigador postdoctoral Samuel Teitelbaum del Stanford PULSE Institute.

Por primera vez, Trigo dijo, pudieron observar y medir cómo los fonones iniciales distribuían su energía en un área más amplia al desencadenar vibraciones más pequeñas. Cada una de esas pequeñas vibraciones emanó de un parche distinto de átomos, y el tamaño del parche, ya sea que contenga 7 átomos, o 9, o 20 - determinó la frecuencia de la vibración. Era muy parecido a cómo tocar una campana grande hace que campanas más pequeñas tintineen cerca, o cómo tocar la cuerda de un piano hace que otras cuerdas tarareen.

"Esto es algo que hemos estado esperando años para poder hacer, así que estábamos emocionados ", Dijo Reis." Es una medida de algo absolutamente fundamental para la física moderna del estado sólido, para todo, desde cómo fluye el calor en los materiales hasta incluso, en principio, cómo surge la superconductividad inducida por la luz, y no podría haberse hecho sin un láser de rayos X de electrones libres como LCLS ".

Una marcha desordenada

El artículo publicado en Science describe experimentos de LCLS con dióxido de vanadio, un material bien estudiado que puede pasar de ser un aislante a un conductor eléctrico en solo 100 cuatrillones de segundo.

Los investigadores ya sabían cómo activar este interruptor con muy cortos, pulsos ultrarrápidos de luz láser. Pero hasta ahora solo podían observar la respuesta media de los átomos, que parecían trasladarse a sus nuevas posiciones de una manera ordenada, dijo Delaire, quien dirigió el estudio con Wall y Trigo.

La nueva ronda de experimentos de dispersión difusa en LCLS mostró lo contrario. Al golpear el dióxido de vanadio con un láser óptico de la energía justa, los investigadores pudieron desencadenar una reordenación sustancial de los átomos de vanadio. Hicieron esto más de 100 veces por segundo mientras registraban los movimientos de átomos individuales con el láser de rayos X LCLS. Descubrieron que cada átomo seguía una independiente, camino aparentemente aleatorio a su nueva posición de celosía. Las simulaciones por computadora realizadas por el estudiante graduado de Duke, Shan Yang, respaldaron esa conclusión.

"Nuestros hallazgos sugieren que el trastorno puede desempeñar un papel importante en algunos materiales, ", escribió el equipo en el artículo de Science. Si bien esto puede complicar los esfuerzos para controlar la forma en que los materiales cambian de una fase a otra, ellos agregaron, "En última instancia, podría proporcionar una nueva perspectiva sobre cómo controlar la materia, "e incluso sugerir una nueva forma de inducir la superconductividad con la luz.

En un comentario que acompaña al informe en Ciencias , Andrea Cavalleri, de la Universidad de Oxford y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, dijo que los resultados implican que las películas moleculares de átomos que cambian de posición con el tiempo no ofrecen una imagen completa de la física microscópica involucrada.

Él agregó, "Más generalmente, De este trabajo se desprende claramente que los láseres de rayos X de electrones libres se están abriendo mucho más de lo que se preveía cuando se planearon estas máquinas. obligándonos a reevaluar muchas nociones antiguas que hasta ahora se daban por sentadas ".