Los fonones acústicos se pueden visualizar en la superficie como regiones de contracción (azul) y expansión (rojo). También se muestran imágenes bidimensionales que comparan los resultados experimentales con la teoría y la simulación de dinámica molecular. La barra de escala es de 100 nanómetros. Crédito:Jesse Clark / UCL
Una película de mil millones de fotogramas por segundo ha capturado las vibraciones de los nanocristales de oro con un detalle asombroso por primera vez.
La película, que se realizó utilizando imágenes 3D pioneras en el Centro de Nanotecnología de Londres (LCN) en UCL, revela información importante sobre la composición del oro. Los hallazgos se publican en la revista Ciencias .
Jesse Clark, de LCN y autor principal del artículo dijo:"Así como la calidad del sonido de un instrumento musical puede proporcionar grandes detalles sobre su construcción, también las vibraciones que se ven en los materiales pueden proporcionar información importante sobre su composición y funciones ".
"Es absolutamente sorprendente que podamos capturar instantáneas de estos movimientos a nanoescala y crear películas de estos procesos. Esta información es crucial para comprender la respuesta de los materiales después de la perturbación".
Los científicos encontraron que las vibraciones eran inusuales porque comienzan exactamente en el mismo momento en todas partes dentro del cristal. Anteriormente se esperaba que los efectos de la excitación viajaran a través del nanocristal de oro a la velocidad del sonido, pero se descubrió que eran mucho más rápidos, es decir., supersónico.
Las nuevas imágenes apoyan modelos teóricos para la interacción de la luz con metales, donde la energía se transfiere primero a los electrones, que son capaces de cortocircuitar el movimiento mucho más lento de los átomos.
El equipo llevó a cabo los experimentos en el SLAC National Accelerator Laboratory utilizando un revolucionario láser de rayos X llamado "Linac Coherent Light Source". Los pulsos de rayos X son extremadamente cortos (medidos en femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo), lo que significa que pueden congelar todo el movimiento de los átomos en cualquier muestra, dejando solo los electrones todavía en movimiento.
Sin embargo, los pulsos de rayos X son lo suficientemente intensos como para que el equipo pudiera tomar instantáneas individuales de las vibraciones de los nanocristales de oro que estaban examinando. La vibración se inició con un pulso corto de luz infrarroja.
Las vibraciones se obtuvieron poco tiempo después en 3D utilizando los métodos de imágenes de difracción coherente iniciados en LCN por el grupo Robinson. Las películas en 3D revelan con exquisito detalle las distorsiones que tienen lugar dentro del nanocristal, con las vibraciones más rápidas que se repiten cada 90 picosegundos.
Profesor Robinson, también de la LCN y el líder del grupo, dijo:"Este trabajo representa un ejemplo impresionante de trabajo en equipo de unas cien personas en SLAC. El acelerador lineal SLAC se construyó en 1957 en respuesta directa a las noticias de Sputnik.
"Después de conquistar 50 años de sensacional física de altas energías, esa máquina ha sido reacondicionada como láser mediante la adición de una serie de imanes de 100 m de largo. Esta máquina del tamaño de 3 km produce un haz que se enfoca en un cristal más pequeño que una micra en un pulso tan corto que todo el movimiento de sus átomos se congela todavía ".
