La "frustración" más un pulso de luz láser dio como resultado un "supercristal" estable creado por un equipo de investigadores dirigido por Penn State y el Laboratorio Nacional Argonne. junto con la Universidad de California, Berkeley, y otros dos laboratorios nacionales.

Este es uno de los primeros ejemplos de un nuevo estado de la materia con estabilidad a largo plazo transfigurado por la energía de un pulso láser sub-pico-segundo. El objetivo del equipo, apoyado por el Departamento de Energía, es descubrir estados interesantes de la materia con propiedades inusuales que no existen en equilibrio en la naturaleza.

"Buscamos estados ocultos de la materia sacando la materia de su estado confortable, que llamamos el estado fundamental, "dice el líder del equipo de Penn State, Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia de los materiales. "Hacemos esto excitando los electrones a un estado superior usando un fotón, y luego observar cómo el material vuelve a su estado normal. La idea es que en el estado excitado, o en un estado que atraviesa en un abrir y cerrar de ojos en el camino al estado fundamental, encontraremos propiedades que desearíamos tener, como nuevas formas de polar, estados magnéticos y electrónicos ".

La búsqueda de estos estados se realiza mediante una técnica de bomba-sonda cuando un láser dispara un fotón a la muestra durante 100 femtosegundos a una longitud de onda de 400 nanómetros (luz azul). La luz de la bomba excita los electrones a un estado de mayor energía y es seguida rápidamente por una luz de sonda, que es un pulso de luz más suave que lee el estado del material. El desafío para el equipo fue encontrar una manera de mantener el estado intermedio de la materia, porque el estado puede existir solo por una pequeña fracción de segundo y luego desaparecer. Sin embargo, los investigadores descubrieron que, a temperatura ambiente, el supercristal está atascado en ese estado esencialmente para siempre.

Gopalan compara este desafío con enviar una pelota rodando por la ladera de una montaña. No se detendrá hasta que llegue al pie de la montaña, a menos que algo se interponga en su camino, decir una repisa. El equipo logró esto "frustrando el sistema", no permitiendo que el material hiciera lo que quiere hacer, que es permitirle minimizar su energía completamente sin restricciones.

Los investigadores hicieron esto utilizando capas atómicas únicas de dos materiales, titanato de plomo y titanato de estroncio, apilados en capas alternas una encima de la otra para construir una estructura tridimensional. El titanato de plomo es un ferroeléctrico, un material polar que tiene polarización eléctrica que conduce a polos eléctricos positivos y negativos en el material. El titanato de estroncio no es un material ferroeléctrico. Este desajuste obligó a los vectores de polarización eléctrica a tomar un camino antinatural, curvándose sobre sí mismos para hacer vórtices, como agua arremolinándose por un desagüe.

El equipo de Berkeley hizo crecer estas capas sobre un sustrato de cristal cuyos cristales eran de tamaño intermedio entre los dos materiales en capas. Esto proporcionó un segundo nivel de "frustración, "cuando la capa de titanato de estroncio trató de estirarse para adaptarse a la estructura cristalina del sustrato, y el titanato de plomo tuvo que comprimirse para ajustarse a él. Esto puso a todo el sistema en un estado delicado pero "frustrado" con múltiples fases distribuidas aleatoriamente en el volumen.

En este punto, los investigadores golpearon el material con un pulso láser, que vierte cargas gratis en el material, agregando energía eléctrica adicional al sistema, llevándolo a un nuevo estado de la materia, un supercristal. Estos supercristales tienen una celda unitaria, la unidad repetitiva más simple en un cristal, mucho más grande que cualquier cristal inorgánico ordinario, con un volumen un millón de veces mayor que las celdas unitarias de los dos materiales originales. El material encuentra este estado por sí solo.

A diferencia de los estados transitorios, este estado de supercristal permanece potencialmente para siempre a temperatura ambiente, al menos un año en este estudio, a menos que se caliente a unos 350 grados Fahrenheit donde se borra. El proceso se puede repetir golpeando el material con un pulso de luz y borrado con calor. Este estado solo puede ser creado por pulsos de láser ultracortos con una cierta cantidad mínima de energía umbral, y no esparciendo esa energía en pulsos largos.

Vlad Stoica, un becario postdoctoral compartido entre Penn State y Argonne National Laboratory, y el autor principal, usó difracción de rayos X de alta energía para examinar el supercristal antes y después de que se forma, mostrando claramente la transformación de materia desordenada en un supercristal. Los resultados se informaron hoy (18 de marzo) en línea en Materiales de la naturaleza .

"En virtud de su corta duración de pulso, un láser ultrarrápido imprime excitaciones en materiales más rápido que su tiempo de respuesta intrínseco, ", Dijo Stoica." Si bien estas transformaciones dinámicas ya se exploraron durante décadas para estimular el orden de los materiales, una estrategia para su estabilización en estado estacionario parecía fuera de alcance hasta ahora ".

Los investigadores de Argonne utilizaron la difracción de rayos X de alta resolución combinada con imágenes a nivel de nanoescala para observar la evolución del reordenamiento estructural irreversible.

"Por primera vez, Observamos que una sola irradiación de pulso láser ultrarrápido de material polar estratificado artificialmente puede inducir una perfección estructural de largo alcance cuando se parte de un desorden relativo, ", dijeron." Esta demostración experimental ya ha estimulado los desarrollos teóricos y tiene importantes implicaciones para la realización futura de nanomateriales artificiales que no se pueden lograr mediante la fabricación tradicional ".

"La combinación de rayos X y fuentes ópticas ultrarrápidas en Advanced Photon Source nos brindó la mejor oportunidad para explorar la estructura a nanoescala del supercristal, junto con la capacidad de comprender por qué el material podría cambiarse repetidamente de un estado ordenado a uno desordenado, "dijo John Freeland, autor correspondiente sobre "Creación óptica de un supercristal con periodicidad tridimensional a nanoescala" y científico del personal del Laboratorio Nacional de Argonne. "Esta informacion, junto con el modelado, nos dio una visión muy profunda de la física detrás de la creación de esta nueva fase ".

El grupo teórico de Long-Qing Chen en Penn State realizó cálculos por computadora utilizando un paquete de software de campo de fase mu-PRO que simulaba de cerca los resultados experimentales.

“Es bastante notable que nuestras simulaciones de campo de fase fueran capaces de predecir las imágenes tridimensionales del espacio real de un supercristal cuyos patrones de difracción generalmente coinciden con los patrones experimentales, e identificar una gama de condiciones termodinámicas para la estabilidad del supercristal. Tales estudios experimentales y computacionales integrados son extremadamente útiles y productivos, "Dijo Chen. Otros miembros del equipo del Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley contribuyeron al trabajo.