Por primera vez, los investigadores han podido registrar, cuadro por cuadro, cómo un electrón interactúa con ciertas vibraciones atómicas en un sólido. La técnica captura un proceso que comúnmente causa resistencia eléctrica en materiales mientras, en otros, puede causar exactamente lo contrario:la ausencia de resistencia, o superconductividad.

"La forma en que los electrones interactúan entre sí y su entorno microscópico determina las propiedades de todos los sólidos, "dijo MengXing Na, un Ph.D. de la Universidad de British Columbia (UBC). estudiante y coautor principal del estudio, publicado la semana pasada en Ciencias . "Una vez que identificamos las interacciones microscópicas dominantes que definen las propiedades de un material, podemos encontrar formas de 'subir' o 'bajar' la interacción para obtener propiedades electrónicas útiles ".

Controlar estas interacciones es importante para la explotación tecnológica de materiales cuánticos, incluyendo superconductores, que se utilizan en máquinas de resonancia magnética, trenes de levitación magnética de alta velocidad, y podría algún día revolucionar la forma en que se transporta la energía.

A escalas diminutas, los átomos en todos los sólidos vibran constantemente. Las colisiones entre un electrón y un átomo pueden verse como un evento de 'dispersión' entre el electrón y la vibración, llamado un teléfono. La dispersión puede hacer que el electrón cambie tanto de dirección como de energía. Tales interacciones electrón-fonón se encuentran en el corazón de muchas fases exóticas de la materia, donde los materiales muestran propiedades únicas.

Con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore, El equipo del Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) de la UBC desarrolló una nueva fuente de láser ultravioleta extremo para permitir una técnica llamada espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo para visualizar procesos de dispersión de electrones en escalas de tiempo ultrarrápidas.

"Utilizando un pulso láser ultracorto, excitamos electrones individuales lejos de su entorno de equilibrio habitual, "dijo Na." Usando un segundo pulso láser como un obturador de cámara efectivo, capturamos cómo los electrones se dispersan con los átomos circundantes en escalas de tiempo más rápido que una billonésima de segundo. Debido a la muy alta sensibilidad de nuestra configuración, pudimos medir directamente, por primera vez, cómo los electrones excitados interactuaban con una vibración atómica específica, o por teléfono ".

Los investigadores realizaron el experimento en grafito, una forma cristalina de carbono y el compuesto original de nanotubos de carbono, Bolas de Bucky y grafeno. La electrónica basada en carbono es una industria en crecimiento, y los procesos de dispersión que contribuyen a la resistencia eléctrica pueden limitar su aplicación en nanoelectrónica.

El enfoque aprovecha una instalación láser única concebida por David Jones y Andrea Damascelli, y desarrollado por el coautor principal Arthur Mills, en el Centro de Materia Cuántica Ultrarrápida de la UBC-Moore. El estudio también fue apoyado por colaboraciones teóricas con los grupos de Thomas Devereaux en la Universidad de Stanford y Alexander Kemper en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

"Gracias a los avances recientes en las fuentes de láser pulsado, apenas estamos comenzando a visualizar las propiedades dinámicas de los materiales cuánticos, "dijo Jones, profesor del SBQMI de la UBC y del departamento de Física y Astronomía.

"Al aplicar estas técnicas pioneras, ahora estamos preparados para revelar el escurridizo misterio de la superconductividad de alta temperatura y muchos otros fenómenos fascinantes de la materia cuántica, "dijo Damascelli, director científico de SBQMI.