Investigadores dirigidos por Cornell han descubierto un fenómeno inusual en un material aislante de metales, proporcionando información valiosa para el diseño de materiales con nuevas propiedades mediante un cambio más rápido entre estados de la materia.
Los aisladores Mott son una familia de materiales con propiedades electrónicas únicas, incluidas aquellas que pueden manipularse mediante estímulos como la luz. El origen de estas propiedades únicas no se comprende completamente, en parte debido a la desafiante tarea de obtener imágenes de las nanoestructuras del material en el espacio real y capturar cómo estas estructuras experimentan cambios de fase en tan solo una billonésima de segundo.
Un nuevo estudio publicado en Nature Physics desentrañó la física del aislante de Mott, Ca2 RuO4 , ya que fue estimulado con un láser. Con un detalle sin precedentes, los investigadores observaron las interacciones entre los electrones del material y la estructura reticular subyacente, utilizando pulsos de rayos X ultrarrápidos para capturar "instantáneas" de los cambios estructurales en el Ca2. RuO4 dentro de los picosegundos críticos después de la excitación con el láser.
Los resultados fueron inesperados:los reordenamientos electrónicos son generalmente más rápidos que los reticulares, pero en el experimento se observó lo contrario.
"Por lo general, los electrones rápidos responden a los estímulos y arrastran a los átomos más lentos con ellos", dijo la autora principal Anita Verma, investigadora postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales. "Lo que encontramos en este trabajo es inusual:los átomos respondieron más rápido que los electrones."
Si bien los investigadores no están seguros de por qué la red atómica puede moverse tan rápido, una hipótesis es que la nanotextura del material le proporciona puntos de nucleación que ayudan a reorganizar la red, de manera similar a cómo el hielo sobreenfriado comienza a formarse más rápidamente alrededor de una impureza en el agua.
La investigación se basa en un artículo de 2023 en el que Andrej Singer, autor principal y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y otros científicos utilizaron rayos X de alta potencia, algoritmos de recuperación de fase y aprendizaje automático para obtener una visualización en el espacio real del El mismo material a nanoescala.
"La combinación de los dos experimentos nos dio la idea de que en algunos materiales como este, podemos cambiar de fase muy rápido, del orden de 100 veces más rápido que en otros materiales que no tienen esta textura", dijo Singer. "Tenemos la esperanza de que este efecto sea una vía general para acelerar el cambio y dar como resultado algunas aplicaciones interesantes en el futuro".
Singer dijo que en algunos aisladores Mott, las aplicaciones incluyen el desarrollo de materiales que sean transparentes en su estado aislante y que luego se vuelvan opacos rápidamente una vez excitados a su estado metálico. La física subyacente también podría tener implicaciones para una electrónica futura más rápida.
El grupo de investigación de Singer planea continuar utilizando las mismas técnicas de imagen para investigar nuevas fases de la materia que se crean cuando las películas delgadas nanotexturizadas se excitan con estímulos externos.
Más información: Anita Verma et al, La expansión del volumen de picosegundos impulsa una transición entre aislante y metal en un aislante Mott con nanotextura, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Cornell
