Los investigadores han explicado los mecanismos detrás de un fenómeno contradictorio:hacer efectiva una transición de fase requiere menos energía si se inicia con dos pulsos de luz en lugar de solo uno. La energía necesaria para completar la transición de fase se ha reducido en un 6% y podría optimizarse aún más. Estos resultados tienen el potencial de transferirse a otros materiales, ofreciendo nuevas vías para un control preciso de los materiales y la innovación tecnológica.
Las transiciones de fase transforman físicamente las sustancias y cambian uniformemente sus propiedades. Un ejemplo típico es el agua hirviendo, que transforma el líquido en una fase gaseosa, lo que produce un cambio abrupto de volumen. Existen otras transiciones de fase con gran relevancia para las tecnologías, como el almacenamiento de datos en discos compactos o Blu-ray.
Durante un proceso de almacenamiento óptico de datos, los pulsos láser cambian la fase estructural del material de la superficie. Las marcas de grabación en los discos se crean derritiendo primero el material con el láser y luego enfriando rápidamente el material fundido por debajo de su temperatura de cristalización; el proceso cambia la reflectividad de las áreas fundidas. Esto se conoce como grabación de cambio de fase.
En los últimos años, la idea de utilizar no uno, sino múltiples pulsos láser para controlar las transiciones de fase ha captado la atención desde que se dio cuenta de que la luz podía impulsar las transiciones de manera coherente. Las transiciones de fase coherentes son interesantes porque cambian suavemente el material entre dos fases.
Sin embargo, un control coherente requiere una conexión tan fluida entre las estructuras cristalinas de dos fases y excluye muchas transiciones tecnológicamente relevantes, como las transiciones de cristal a amorfo en vidrios de calcogenuro para el almacenamiento de datos.
Un equipo de investigadores liderado por el Dr. Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) ha demostrado una ruta alternativa e incoherente para el control de materiales que mejora la eficiencia energética de la transición de fase en un material de referencia, el óxido de vanadio (VO2 ). Descubrieron que la transición de fase entre las fases metálica y aislante cuando se activa mediante dos pulsos, en lugar de uno solo, puede requerir menos energía.
El material estudiado (óxido de vanadio) es un sistema prototípico para comprender las transiciones de fase en materiales cuánticos. Se encuentra entre los sistemas de ondas de densidad de carga (transformados por algunos modos de longitud de onda larga, lo que muestra coherencia) y las transiciones de fase amorfa cristalina (las distorsiones locales no correlacionadas impulsan la transición, lo que muestra desorden). A altas temperaturas el óxido de vanadio se encuentra en fase metálica (rutilo), pero por debajo de 60° se encuentra en fase aislante (monoclínica).
Normalmente, la excitación de la fase aislante con un pulso de luz impulsa un cristal de dióxido de vanadio a la fase metálica. Allan Johnson y su equipo utilizaron una estrategia alternativa. Utilizaron un pulso débil para preparar un estado de vibración coherente, para excitar aún más la muestra con un segundo pulso de luz después de un pequeño retraso (en el rango de picosegundos).
Para su sorpresa, descubrieron que el umbral de energía en el que el material comienza a transformarse a la fase metálica depende del retraso entre los dos pulsos y que la energía necesaria para completar la transición de fase se reduce en el esquema de doble pulso. en comparación con el esquema de pulso único.
Los notables resultados indican que múltiples excitaciones pueden reducir la energía necesaria para impulsar la transición de fase en el óxido de vanadio hasta en un 6%. Cuando se le pregunta sobre la mejora, Allan Johnson dice:"Puede que esto no parezca un gran ahorro de energía, pero el proceso aún debe optimizarse y por el momento no sabemos cuánto podemos ganar. Además, este método puede ser potencialmente aplicado a muchos materiales, y esto es muy prometedor."
La característica más interesante de su descubrimiento es que el proceso podría transferirse fácilmente a dispositivos existentes que funcionan con rayos láser pulsados ultrarrápidos, simplemente dividiendo el pulso en dos y retrasando el tiempo entre pulsos.
A diferencia de la limitada gama de materiales que muestran coherencia estructural, el desorden correlacionado puede, en principio, inducirse en cualquier sólido. En consecuencia, la estrategia de siembra no homogénea podría ser aplicable a una amplia gama de sólidos, incluidos los utilizados en aplicaciones de almacenamiento de datos y energía.
El momento eureka para el Dr. Johnson fue darse cuenta de que sus datos de rayos X, adquiridos sin parar durante tres largos días y noches en una instalación de láser de rayos X en Japón, coincidían con los experimentos de pulsos múltiples de su propio laboratorio. Explicaron que el mecanismo de control implica la formación de polarones, cuasipartículas que se forman debido al acoplamiento de un exceso de electrones o huecos con vibraciones iónicas.
En particular, si bien otros científicos han observado fenómenos similares en sus datos de laboratorio, los mecanismos detrás de estas observaciones seguían siendo difíciles de alcanzar hasta ahora. Allan Johnson y sus colaboradores han dilucidado los procesos subyacentes, destacando la formación de polarones y su ordenamiento en direcciones específicas como un factor clave para reducir la penalización energética de la fase metálica. Impulsar la transición de fase excitando este estado de movimiento desordenado se puede lograr con menos energía.
Además, la reducción dinámica de la barrera significa que los científicos pueden reducir selectivamente la energía necesaria para la transición de fase impulsada por láser sin aumentar la probabilidad de conmutación térmica, a diferencia de otros métodos para mejorar la eficiencia.
Los resultados han sido publicados en Nature Physics . Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de la ciencia fundamental y ofrecen nuevas vías para el control preciso de materiales y la innovación tecnológica. A medida que el equipo continúa optimizando el método y explorando nuevos materiales, el potencial de avances transformadores en la ciencia de los materiales y el control óptico sigue siendo alto.
Más información: Allan S. Johnson et al, Siembra totalmente óptica de una transición de fase inducida por la luz con trastorno correlacionado, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02474-4
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por IMDEA Nanociencia
