Los investigadores de Vanderbilt, Sokrates Pantelides y Joshua Caldwell, forman parte de una colaboración internacional que ha demostrado una nueva forma de manipular y medir vibraciones atómicas sutiles en nanomateriales. Este avance podría hacer posible el desarrollo de funcionalidades personalizadas para mejorar y construir nuevas tecnologías.

Los haces de electrones en potentes microscopios han probado materiales y nanoestructuras con resolución a escala atómica, han obtenido imágenes de los arreglos atómicos y, en combinación con la teoría, han revelado propiedades electrónicas y magnéticas. Los desarrollos recientes en microscopía ayudan a hacer posible obtener señales directas de fonones, es decir, modos vibracionales, con alta resolución tanto en el espacio como en la energía. Los investigadores ahora pueden medir distintos modos de vibración en las interfaces en estructuras multicapa, defectos y otras faltas de homogeneidad.

"Nuestro equipo combinó tales mediciones con sondas láser e investigaciones teóricas para obtener una imagen completa de la física subyacente que, en última instancia, formará la base de las nuevas tecnologías", dijo Pantelides.

En esta investigación, publicada en la revista Nature el 26 de enero, el equipo colocó dos óxidos diferentes en capas en una nanoestructura similar a Lego llamada superred. Las estructuras fueron fotografiadas a escala atómica por Eric Hoglund, el primer autor del artículo e investigador de la Universidad de Virginia. Jordan A. Hachtel, ex alumno de Pantelides y microscopista experto en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, realizó las mediciones de precisión de los modos de vibración de estas superredes complejas.

Caldwell, miembro de la facultad de ingeniería de Flowers Family Chancellor y profesor asociado de ingeniería mecánica, y su alumno Joseph Matson realizaron espectroscopias infrarrojas complementarias de los modos vibratorios. Pantelides, profesor universitario distinguido de física e ingeniería, William A. y Nancy F. McMinn, profesor de física y profesor de ingeniería eléctrica, y los miembros de su grupo Andrew O'Hara y De-Liang Bao, profesor asistente de investigación y becario postdoctoral, respectivamente, realizó los cálculos teóricos que proporcionaron vínculos entre diversos experimentos para construir una imagen completa. La investigación combinada estableció que a medida que se reduce el grosor de las capas en las superredes, las vibraciones atómicas están inicialmente dominadas por las de los dos materiales a granel, pero evolucionan gradualmente para estar dominadas por las interfaces atómicas, que definen una nueva estructura cristalina.

Las combinaciones anteriores de cálculos teóricos que utilizan la mecánica cuántica con experimentos físicos permitieron a los físicos e ingenieros comprender cómo se comportan los materiales. Tales investigaciones dieron como resultado la creación y el desarrollo de los dispositivos digitales que damos por sentado hoy. Los microscopios electrónicos desempeñaron un papel importante en estas búsquedas, pero hasta hace poco no tenían suficiente resolución para visualizar las vibraciones atómicas.

"Las propiedades emergentes resultan a nanoescala, especialmente cuando juntamos materiales. De estas combinaciones obtenemos nuevos comportamientos que no esperábamos", dijo Pantelides. "Cada vez que hay una estructura con nuevas propiedades, la mente de la ingeniería va directamente a pensar en qué nuevos materiales con funcionalidades novedosas y nuevos dispositivos se pueden fabricar. En pocas palabras, así es como se crea la tecnología".

Caldwell y Matson han estado investigando las propiedades infrarrojas de las superredes a escala atómica. "Las propiedades infrarrojas de los cristales polares son impulsadas principalmente por los fonones ópticos de los materiales. Por lo tanto, este trabajo se basa en un concepto al que nos referimos como híbrido cristalino, donde las combinaciones de materiales atómicamente delgados en superredes se pueden usar para inducir propiedades emergentes, —dijo Caldwell—. Este esfuerzo se mejoró significativamente al demostrar que la escala de estas medidas se puede reducir para medir el comportamiento más preciso capturado hasta la fecha.

Este trabajo tiene el potencial de mejorar el conocimiento a través de la microscopía, la ciencia óptica, la física y la ingeniería. "Hemos alcanzado un cambio radical en esta tecnología. Al mejorar la forma en que medimos, podemos trabajar y manipular mejor estos nanomateriales. Estamos mucho más seguros de que podemos diseñar estructuras con propiedades personalizadas", dijo Pantelides.

Pantelides y Caldwell continuarán colaborando con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para lograr más avances en el campo, especialmente en la expansión a diferentes estructuras cristalinas y otros sistemas de materiales de interés, como los semiconductores basados ​​en nitruro.

Investigadores de la Universidad de Virginia, el Laboratorio Nacional Sandia, la Universidad de California Berkeley, la Universidad Purdue y la Universidad Humboldt y el Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik en Alemania participaron en esta investigación. + Explora más

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