Mediante el uso de una técnica de rayos X disponible en National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), Los científicos descubrieron que la transición metal-aislante en el material correlacionado magnetita es un proceso de dos pasos. Los investigadores de la Universidad de California Davis publicaron su artículo en la revista Cartas de revisión física . NSLS-II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, tiene características únicas que permiten aplicar la técnica con estabilidad y control durante largos períodos de tiempo.

"Los materiales correlacionados tienen interesantes magnético, y propiedades estructurales, y tratamos de entender cómo cambian esas propiedades cuando cambia su temperatura o bajo la aplicación de pulsos de luz, o un campo eléctrico ", dijo Roopali Kukreja, profesor de UC Davis y autor principal del artículo. Una de esas propiedades es la conductividad eléctrica, que determina si un material es metálico o aislante.

Si un material es un buen conductor de electricidad, suele ser metálico, y si no lo es, entonces se conoce como aislante. En el caso de la magnetita, la temperatura puede cambiar si el material es conductor o aislante. Para el estudio publicado, El objetivo de los investigadores era ver cómo la magnetita cambiaba de aislante a metálica a nivel atómico a medida que se calentaba.

En cualquier material, hay una disposición específica de electrones dentro de cada uno de sus miles de millones de átomos. Este orden de electrones es importante porque dicta las propiedades de un material, por ejemplo su conductividad. Para comprender la transición metal-aislante de magnetita, los investigadores necesitaban una forma de observar cómo cambiaba la disposición de los electrones en el material con la alteración de la temperatura.

"Este arreglo electrónico está relacionado con el motivo por el que creemos que la magnetita se convierte en un aislante, "dijo Kukreja. Sin embargo, El estudio de esta disposición y cómo cambia en diferentes condiciones requirió que los científicos pudieran observar la magnetita a una escala muy pequeña.

La técnica, conocida como espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS), disponible en la línea de haz de dispersión de rayos X suave coherente (CSX) de NSLS-II, permitió a los investigadores observar cómo cambiaba el material a nanoescala, del orden de mil millonésimas de metro.

"CSX está diseñado para la dispersión coherente de rayos X suaves. Esto significa que la línea de luz explota nuestra luz ultrabrillante, fuente estable y coherente de rayos X para analizar cómo cambia la disposición del electrón con el tiempo, "explicó Andi Barbour, un científico de CSX que es coautor del artículo. "La excelente estabilidad permite a los investigadores investigar pequeñas variaciones durante horas para que se pueda revelar el comportamiento intrínseco de los electrones en los materiales".

Sin embargo, esto no es directamente visible, por lo que XPCS usa un truco para revelar la información.

"La técnica XPCS es un método de dispersión coherente capaz de sondear la dinámica en un sistema de materia condensada. Se genera un patrón de moteado cuando se dispersa un haz de rayos X coherente de una muestra, como una huella de su falta de homogeneidad en el espacio real, "dijo Wen Hu, científico de CSX y coautor del artículo.

Luego, los científicos pueden aplicar diferentes condiciones a su material y, si el patrón de motas cambia, significa que el orden de los electrones en la muestra está cambiando. "Esencialmente, XPCS mide cuánto tiempo tarda la intensidad de un moteado en diferir mucho de la intensidad media, que se conoce como decorrelación, "dijo Claudio Mazzoli, el científico líder de la línea de luz en la línea de luz CSX. "Considerando muchas motas a la vez, el tiempo de descorrelación de conjunto es la firma de la escala de tiempo dinámica para una condición de muestra dada ".

La técnica reveló que la transición metal-aislante no es un proceso de un solo paso, como se pensaba anteriormente, pero en realidad ocurre en dos pasos.

"Lo que esperábamos era que las cosas fueran cada vez más rápido durante el calentamiento. Lo que vimos fue que las cosas se vuelven cada vez más rápidas y luego se ralentizan. Así que la fase rápida es un paso y el segundo paso es la desaceleración, y eso debe suceder antes de que el material se vuelva metálico, ", dijo Kukreja. Los científicos sospechan que la desaceleración se produce porque, durante el cambio de fase, las propiedades metálicas y aislantes existen realmente al mismo tiempo en el material.

"Este estudio muestra que estas escalas de longitud nanométrica son realmente importantes para estos materiales, ", dijo Kukreja." No podemos acceder a esta información y estos parámetros experimentales en ningún otro lugar que no sea en la línea de luz CSX de NSLS-II ".