Esta red cristalina consta de un gran número de celdas unitarias con una disposición atómica idéntica. En la imagen adiabática elemental, los movimientos de los electrones en el cristal siguen instantáneamente el movimiento de los núcleos atómicos, es decir, los núcleos atómicos y los electrones se mueven como una sola entidad. Si bien esta imagen física es válida para los llamados electrones centrales internos de un átomo, falla para los electrones de valencia, que son compartidos por diferentes átomos dentro de su celda unitaria. Un tipo especial de fonones, los modos suaves, pueden reubicar electrones y, por lo tanto, cambiar considerablemente las propiedades eléctricas de un cristal. Las propiedades de los modos suaves se han investigado durante décadas, pero no se comprenden lo suficiente. Un requisito previo clave para una mejor comprensión es mapear las vibraciones atómicas y los movimientos de carga simultáneamente. Esto se puede hacer por difracción de rayos X de femtosegundos.

Investigadores del Instituto Max Born de Berlín ahora han dilucidado en el espacio y el tiempo los movimientos nucleares y electrónicos concertados en sólidos cristalinos. Como informan en una publicación reciente en Physical Review Letters , los movimientos de los fonones conducen a los electrones a distancias en el cristal que son unas 500 veces mayores que los desplazamientos nucleares. Experimentos de difracción de polvo de rayos X de femtosegundos en dos cristales prototípicos, nitruro de boro cúbico (cBN) y dihidrógeno fosfato de potasio (KH₂ PO₄ , KDP), un material iónico, conducen al descubrimiento de dos fenómenos relacionados. (i) La excitación de los fonones de límite de zona acústica en cBN está relacionada con una reubicación de electrones de valencia desde las regiones intersticiales de la celda unitaria hacia los átomos, lo que agudiza la distribución de electrones en el espacio. (ii) La excitación coherente de un modo suave de baja frecuencia en KDP paraeléctrico da como resultado una oscilación de electrones entre átomos de larga duración, denominada subamortiguación.

El equipo ha implementado una técnica de sonda de difracción de rayos X de bomba Raman en combinación con el método de máxima entropía (MEM) para el análisis de densidad de carga para tomar una serie de instantáneas de densidad de electrones dentro de la celda unitaria del cristal respectivo. La difracción de rayos X es muy sensible tanto a la carga atómica como a la de valencia, por lo que representa una herramienta perfecta para mapear posiciones nucleares y densidad de carga de valencia en escalas de tiempo y longitud atómica. En los experimentos, un pulso óptico ultracorto desencadena movimientos de fonones atómicos en una muestra de polvo, que consta de pequeños cristalitos, a través de una excitación Raman impulsiva (la bomba). Los pulsos de rayos X duros de femtosegundos (la sonda) se difractan de la muestra excitada y generan una instantánea de difracción de la disposición de carga momentánea en la celda unitaria del cristal. Cambiar el tiempo de llegada del pulso de la sonda en relación con el pulso de la bomba permite registrar un patrón de difracción para cada retraso de la bomba-sonda, lo que da como resultado una película de los movimientos electrónicos y nucleares promovidos. La excitación Raman impulsiva fuera de resonancia asegura que el cristal permanezca en su estado fundamental electrónico.

La figura 1 muestra la intensidad transitoria de (111) la reflexión de Bragg de cBN después de la excitación Raman de segundo orden de los fonones de límite de zona acústica. El aumento observado de la intensidad difractada demuestra más directamente una reubicación de los electrones de valencia desde las regiones intersticiales de la celda unitaria hacia los átomos, como se visualiza en los mapas de densidad de electrones transitorios para diferentes retrasos de sonda de bomba (Fig. 2). Las oscilaciones se originan a partir de una superposición coherente de fonones con una frecuencia ligeramente diferente.

La Fig. 3 muestra mapas de densidad de electrones transitorios de KDP paraeléctrico para dos retrasos de sonda de bomba después de la excitación coherente de un modo suave. El movimiento oscilatorio de los núcleos conduce a un intercambio duradero de electrones entre los átomos en la celda unitaria iónica. Este comportamiento contrasta notablemente con las predicciones de la literatura y se debe al carácter longitudinal de los movimientos nucleares. Los mapas de densidad de electrones muestran una transferencia de carga de valencia entre los átomos de K y P [panel (b)] y una reubicación de electrones pronunciada dentro del ion fosfato de los átomos de P a los de O [panel (c)].

Lo más interesante es el hecho de que en ambos casos la reubicación observada de la carga electrónica ocurre en la escala de distancias interatómicas, es decir, varios angströms (10 ^-10 m) mientras que los desplazamientos nucleares subyacentes ocurren en el subpicómetro (10 ^-12 m) escala. De esta manera, el contenido de energía electrostática del cristal se minimiza durante el período durante el cual existen las excitaciones de fonones. Estos hallazgos sirven como punto de referencia para desarrollar una descripción cuántica adecuada de los modos suaves y allanan el camino para futuros estudios de una amplia gama de materiales funcionales con, por ejemplo, propiedades ferroeléctricas. + Explora más

Técnica de martillado para vibraciones atómicas en un cristal