Ilustración de la configuración y la interacción de un pulso láser corto (línea oscilante roja) con la red de átomos de titanio (centro, mitad inferior de la figura). Las estructuras roja y azul representan la redistribución de la densidad electrónica en la vecindad de un átomo de titanio. Un primer plano de este cambio de densidad se muestra en la parte inferior derecha. Crédito:ETH Zurich / D-PHYS Grupo de física láser ultrarrápida
Investigadores del Departamento de Física de ETH Zurich han medido cómo los electrones en los llamados metales de transición se redistribuyen en una fracción de un ciclo de oscilación óptica. Observaron que los electrones se concentraban alrededor de los átomos de metal en menos de un femtosegundo. Esta reagrupación podría influir en importantes propiedades macroscópicas de estos compuestos, como la conductividad eléctrica, magnetización o características ópticas. Por lo tanto, el trabajo sugiere una ruta para controlar estas propiedades en escalas de tiempo extremadamente rápidas.
La distribución de electrones en metales de transición, que representan una gran parte de la tabla periódica de elementos químicos, es responsable de muchas de sus interesantes propiedades utilizadas en aplicaciones. Las propiedades magnéticas de algunos de los miembros de este grupo de materiales son, por ejemplo, explotado para el almacenamiento de datos, mientras que otros exhiben una excelente conductividad eléctrica. Los metales de transición también tienen un papel decisivo para los materiales novedosos con un comportamiento más exótico que resulta de fuertes interacciones entre los electrones. Estos materiales son candidatos prometedores para una amplia gama de aplicaciones futuras.
En su experimento, cuyos resultados informan en un artículo publicado hoy en Física de la naturaleza , Mikhail Volkov y sus colegas del grupo de Física de Láser Ultrarrápido de la Prof. Ursula Keller expusieron láminas delgadas de los metales de transición titanio y circonio a pulsos de láser cortos. Observaron la redistribución de los electrones al registrar los cambios resultantes en las propiedades ópticas de los metales en el dominio ultravioleta extremo (XUV). Para poder seguir los cambios inducidos con suficiente resolución temporal, Pulsos XUV con una duración de solo unos pocos cientos de attosegundos (10 -18 s) se emplearon en la medición. Comparando los resultados experimentales con modelos teóricos, desarrollado por el grupo del Prof. Angel Rubio en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo, Los investigadores establecieron que el cambio se desarrolla en menos de un femtosegundo (10 -15 s) se debe a una modificación de la localización de los electrones en las proximidades de los átomos metálicos. La teoría también predice que en los metales de transición con capas de electrones exteriores más fuertemente llenas un movimiento opuesto, es decir, es de esperar una deslocalización de los electrones.
Control ultrarrápido de las propiedades del material
La distribución de electrones define los campos eléctricos microscópicos dentro de un material, que no solo mantienen unido a un sólido, sino que también determinan en gran medida sus propiedades macroscópicas. Al cambiar la distribución de electrones, De esta manera, también se pueden orientar las características de un material. El experimento de Volkov et al. demuestra que esto es posible en escalas de tiempo considerablemente más cortas que el ciclo de oscilación de la luz visible (alrededor de dos femtosegundos). Aún más importante es el hallazgo de que las escalas de tiempo son mucho más cortas que el llamado tiempo de termalización, que es el tiempo dentro del cual los electrones eliminarían los efectos de un control externo de la distribución de electrones a través de colisiones entre ellos y con la red cristalina.
Sorpresa inicial
Inicialmente, fue una sorpresa que el pulso láser condujera a una mayor localización de electrones en titanio y circonio. Una tendencia general en la naturaleza es que si los electrones ligados reciben más energía, se volverán menos localizados. El análisis teórico, que apoya las observaciones experimentales, demostró que el aumento de la localización de la densidad de electrones es un efecto neto resultante del relleno más fuerte de los característicos orbitales d parcialmente llenos de los átomos de los metales de transición. Para metales de transición que tienen orbitales d que ya están llenos a más de la mitad (es decir, elementos más hacia la derecha en la tabla periódica), el efecto neto es al contrario y corresponde a una deslocalización de la densidad electrónica.
Hacia componentes electrónicos más rápidos
Si bien el resultado que se informa ahora es de naturaleza fundamental, los experimentos demuestran la posibilidad de una modificación muy rápida de las propiedades del material. Dichas modulaciones se utilizan en electrónica y optoelectrónica para el procesamiento de señales electrónicas o la transmisión de datos. Mientras que los componentes presentes procesan flujos de señales con frecuencias en gigahercios (10 9 Hz) rango, Los resultados de Volkov y colaboradores indican la posibilidad de procesamiento de señales en frecuencias de petahercios (10 15 Hz). Por lo tanto, estos hallazgos bastante fundamentales podrían informar el desarrollo de las próximas generaciones de componentes cada vez más rápidos, ya través de esto encontrar indirectamente su camino en nuestra vida diaria.
