Los científicos teóricos y experimentales se han unido para observar la vibración de los sólidos.

Los átomos o moléculas constituyen todo lo que nos rodea. En muchos sólidos, como la sal común o el hierro, están perfectamente organizados como estructuras repetidas, llamadas 'celosías de cristal'. El comportamiento de un sólido a cualquier factor externo, como fuerza aplicada, está determinada por el comportamiento colectivo de la celosía, no átomos o moléculas individuales. Pequeñas vibraciones de los componentes determinan la respuesta colectiva de la celosía. En lugar de los componentes individuales, es esta respuesta colectiva la que determina varios fenómenos naturales, incluyendo cómo el calor se transporta a través de los sólidos y cómo los materiales cambian de estado entre los sólidos, líquidos y gases.

En un nuevo estudio, Investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Bombay (IIT Bombay) han ideado un método teórico para predecir variaciones de la estructura reticular en respuesta a perturbaciones externas. Este estudio, publicado en la revista Materiales computacionales npj , fue parcialmente financiado por el IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Center, el Ministerio de Recursos Humanos y Desarrollo (ahora Ministerio de Educación), Departamento de Energía Atómica, y el Departamento de Ciencia y Tecnología, Gobierno de India.

Los científicos investigan variaciones en la estructura reticular, o su dinámica, creando primero una perturbación externa en la estructura y luego observando cómo la perturbación cambia con el tiempo. La perturbación suele ser inducida por breves destellos de luz láser. "Si perturba un sólido con destellos de láser, sus átomos empiezan a vibrar, "dice el profesor Gopal Dixit, uno de los autores del estudio.

La luz de rayos X o los electrones pueden revelar la información sobre la posición de los átomos y moléculas en la red. Los científicos bombardean el sólido con múltiples rayos X o pulsos de electrones en instancias separadas por unos pocos femtosegundos, es decir, mil billonésimas de segundo. Por lo tanto, pueden obtener imágenes del sólido en estos casos, que unen para filmar los átomos vibrantes. Estos experimentos son difíciles de diseñar, que involucran instrumentos sofisticados que son más costosos que los microscopios de laboratorio estándar y están disponibles en unos pocos, instalaciones raras en todo el mundo. Solo en la última década los científicos han podido realizar experimentos tan avanzados.

Por otra parte, estudiar la disposición molecular de los sólidos no perturbados es más fácil. Durante más de cinco décadas, Los científicos han bombardeado sólidos como el silicio con rayos X o rayos de electrones y han observado cómo este rayo interactúa con su red. "La respuesta del sólido al rayo deja huellas específicas en el rayo saliente, revelando las vibraciones atómicas en la celosía, "dice el profesor Dipanshu Bansal, otro autor del estudio. Una técnica matemática innovadora inventada por primera vez por Joseph Fourier, llamado "análisis de Fourier, "les ayuda a estudiar las pequeñas estructuras de la celosía tanto en el espacio como en el tiempo.

En el estudio actual, Los investigadores llevaron a cabo cálculos matemáticos y demostraron que se podía usar una técnica similar para estudiar sólidos sujetos a un temporal, perturbación externa. Utilizaron una versión ampliada del método de Fourier junto con las leyes de la física cuántica. Adicionalmente, utilizaron la idea fundamental de que el tiempo fluye en una dirección. Esto los llevó a calcular una cantidad matemática que determina cómo reacciona la estructura reticular a la perturbación externa.

Usando esta cantidad matemática, también llamada "función de respuesta, "los investigadores predijeron cómo se comportarían los sólidos con el tiempo, hasta unos pocos femtosegundos, y espacio, hasta fracciones de nanómetro. Luego, calcularon la función de respuesta a partir de imágenes disponibles de experimentos realizados durante la última década con láseres. Esta cantidad, los investigadores del estudio actual demostraron, coincide exactamente con la función de respuesta teórica. Su cálculo muestra por primera vez que no es necesario realizar experimentos sofisticados para estudiar la dinámica de los sólidos.

Hay otras ventajas. "Nuestro método propuesto no requiere pulsos de rayos X o de electrones separados por fracciones de picosegundos para estudiar la dinámica. En cambio, un solo pulso es suficiente, ", afirma el profesor Dixit. Los cálculos toman solo unos días en computadoras personales, mientras que los experimentos pueden llevar días o meses.

El estudio también ha reunido a teóricos y experimentadores. "Nuestro trabajo es un verdadero éxito de esfuerzos colaborativos, "dice el profesor Bansal, un científico experimental. "Necesitábamos conocer las condiciones experimentales exactas que la teoría no explicaba, y físicos teóricos a la altura de la tarea, "añade el profesor Dixit, quien es un teórico. "Aunque existen desafíos para realizar experimentos, los cálculos teóricos no tienen limitaciones, "admite el profesor Bansal, el experimentalista.

Los investigadores afirman que su método es aplicable para sólidos en diferentes entornos como en un campo magnético, bajo presión externa, o alta temperatura. "Esto no es posible ni siquiera con los experimentos microscópicos más sofisticados, ", dice el profesor Bansal. Si bien no es fácil estimar la función de respuesta a partir de los datos limitados disponibles en los experimentos, Los rápidos avances tecnológicos están facilitando la realización de investigaciones. Los investigadores también planean poner a prueba su teoría para estos experimentos.