Cualquiera que haya visto salir vapor de una tetera hirviendo o que se hayan formado cristales de hielo en una ventana mojada en invierno ha observado lo que los científicos llaman una transición de fase.

Las transiciones de fase, como las que ocurren entre sólidos, líquidos y gases, ocurren en todo tipo de sustancias diferentes y pueden ocurrir rápida o lentamente. Los científicos planean usar transiciones de fase para poder controlar las propiedades electrónicas, estructurales o magnéticas de diferentes materiales a medida que experimentan estos cambios, como para usar en nuevos tipos de memorias de computadora.

En el nuevo estudio, los investigadores han podido por primera vez observar una transición de fase estructural en detalle minucioso en una escala de tiempo muy rápida. Los científicos hicieron "fotografías" de rayos X con una separación de menos de una décima parte de una milmillonésima de segundo mediante una técnica llamada microscopía de nanodifracción. "Un video típico puede reproducirse a 30 fotogramas por segundo, por lo que es aproximadamente un video en cámara lenta que puede resolver dinámicas que son extremadamente rápidas", dijo Haidan Wen, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

La capacidad de presenciar la evolución del comportamiento de los materiales con tanta precisión en el tiempo y el espacio ha revelado comportamientos inusuales en ciertos materiales que experimentan un cambio de fase, incluidos muchos materiales magnéticos.

"Podemos acercarnos a una muestra en términos de tiempo y espacio de una manera que nunca antes habíamos podido", dijo Youngjun Ahn, el primer autor del estudio. Ahn es un antiguo estudiante de posgrado en prácticas en Argonne de la Universidad de Wisconsin-Madison. Para este trabajo, colaboró ​​estrechamente con Wen. "Este método nos brinda una visión precisa de los cambios estructurales en nuestra muestra que son difíciles de ver con cualquier otro método", dijo Ahn.

El estudio utilizó la nanosonda de rayos X duros operada por el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne. El APS y el CNM son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Al observar las transiciones de fase en un compuesto de hierro y rodio, los investigadores encontraron una forma de observar cómo cambia la estructura del compuesto entre dos configuraciones magnéticas. El cambio provoca una expansión de la red atómica que es muy pequeña, pero suficiente para tener consecuencias significativas para el magnetismo.

Los científicos pueden usar las fases magnéticas para crear un nuevo tipo de almacenamiento magnético que promete ser más rápido y más eficiente energéticamente que el almacenamiento de datos convencional. En todos los materiales magnéticos, manipular las transiciones de fase alrededor de la temperatura crítica a la que ocurren puede proporcionar la clave para cambiar un bit de almacenamiento de información entre un "1" y un "0".

Para crear memorias magnéticas que sean compactas, los científicos necesitan tener una forma de manipularlas con precisión. Una forma de hacerlo es con un cambio local de temperatura.

Al calentar un bit magnético, los científicos podrían tener una forma de inducir la reconfiguración que utilizan para codificar información con menos consumo de energía, lo que se conoce como grabación magnética asistida por calor. "Una de las cosas muy interesantes de este material en particular, el hierro y el rodio, es que tiene una transición de fase a una temperatura que podría usarse para este tipo de aplicaciones", dijo Paul Evans, profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Pero para hacer el tipo de manipulaciones que nos interesan, necesitamos una 'cámara' mejor. Por eso es importante usar esta técnica recientemente desarrollada para estudiarlo".

"El aspecto clave de nuestro experimento es que podemos acceder a regiones extremadamente pequeñas del espacio o momentos rápidos en el tiempo con alta precisión que nos permite descubrir dinámicas a nanoescala que no se habían reconocido antes", agregó Wen, quien concibió el trabajo. .

La próxima actualización del APS tendrá implicaciones significativas para futuros experimentos que visualicen este tipo de transiciones de fase. "Después de la actualización de APS", dijo el científico de rayos X de Argonne, Martin Holt, "esperamos lograr una resolución espacial más alta, en particular, al explotar la coherencia mejorada del haz de rayos X. Nuestro desarrollo de resolución de tiempo ultrarrápida dentro de ese tipo de La microscopía de rayos X es lo que nos ayuda a comprender las causas de los tipos de efectos que estamos observando. Esta es una capacidad única que puede ofrecer el APS actualizado".

Un artículo basado en el estudio, "Las imágenes de nanodifracción de rayos X revelan distintas dinámicas nanoscópicas de una transición de fase ultrarrápida", apareció en Proceedings of the National Academy of Sciences . + Explora más

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