doi.org/10.1038/s41563-024-01974-1
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#Material quântico
Cientistas desenvolveram uma técnica para criar filmes atômicos que mostram a transição de um material quântico de isolante para metal, descobrindo uma nova fase do material e avançando na compreensão das propriedades do material com implicações significativas para o design do material
Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criaram os primeiros filmes atômicos mostrando como os átomos se reorganizam localmente dentro de um material quântico à medida que ele faz a transição de isolante para metal. Com a ajuda desses filmes, os pesquisadores descobriram uma nova fase material que encerra um debate científico de anos e pode facilitar o design de novos materiais de transição com aplicações comerciais.
Esta pesquisa, publicada recentemente em 15 de julho na Nature Materials, marca uma conquista metodológica; os pesquisadores demonstraram que uma técnica de caracterização de materiais chamada análise de função de distribuição de pares atômicos (PDF) é viável e bem-sucedida em instalações de laser de elétrons livres de raios X (XFEL). O PDF é normalmente empregado para experimentos de fonte de luz síncrotron, durante os quais as amostras são bombardeadas com pulsos de raios X. Ao estudar como os padrões de difração de raios X mudam após interagir com materiais, os cientistas podem entender melhor as propriedades desses materiais. No entanto, esses experimentos são restritos pelos pulsos de raios X mais curtos que podem ser gerados.
Avanços na Tecnologia de Pulso de Raios X:
É como a velocidade do obturador de uma câmera,- explicou Jack Griffiths, coautor principal do artigo. Se você estiver tirando uma foto de algo mudando mais rápido do que a velocidade do obturador da sua câmera, sua foto ficará borrada. Como uma velocidade rápida do obturador, pulsos de raios X mais curtos nos ajudam a visualizar materiais que mudam rapidamente com mais detalhes.- Griffiths era um pesquisador de pós-doutorado no Grupo de Dispersão de Raios X dentro do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) de Brookhaven quando a pesquisa foi conduzida e agora é um pesquisador de pós-doutorado na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab.
Fontes de luz síncrotron são excelentes para caracterizar materiais que não estão mudando ou materiais que mudam ao longo de minutos a horas, como baterias enquanto carregam e descarregam. Mas esse grupo de cientistas queria observar mudanças materiais em escalas de tempo de picossegundos.
É difícil imaginar o quão rápido um picossegundo realmente é,- disse Griffiths. Em um segundo, a luz pode viajar ao redor da Terra sete vezes e meia. Mas em um picossegundo, a luz pode viajar apenas um terço de um milímetro. As escalas de tempo são quase incomparáveis.-
Quebrando barreiras com XFEL:
Então, os cientistas trouxeram a técnica PDF para um XFEL chamado Linac Coherent Light Source (LCLS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no SLAC National Accelerator Laboratory do DOE que gera pulsos incrivelmente brilhantes e curtos de raios X.
Quando você está fazendo algo pela primeira vez, sempre há esse aspecto do desconhecido. Pode ser estressante, mas também muito emocionante,- disse Emil Bozin, o outro coautor principal e físico do CMPMS X-ray Scattering Group. Sabíamos das principais limitações de levar o PDF para um XFEL, mas não sabíamos realmente o que esperar.-
Descobertas revolucionárias
Com a velocidade rápida do obturador- do LCLS, os cientistas conseguiram criar filmes elucidando o movimento atômico, como o que ocorre quando sua amostra de material quântico transita entre um metal e um isolante.
Fiquei simplesmente impressionado com o quão bem funcionou,- disse Simon Billinge, físico do X-ray Scattering Group e professor da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia.
É semelhante a precisar de um aplicativo de navegação,- Billinge acrescentou. Você sabe onde está agora e qual é seu destino, mas precisa que o aplicativo lhe dê uma rota ou algumas opções de rota. O PDF ultrarrápido foi nosso aplicativo de navegação.-
Entender essas rotas atômicas é um primeiro passo importante para projetar materiais em transição com uma miríade de aplicações em computação, química e armazenamento de energia. Uma vez que os cientistas entendam como os materiais fazem a transição, eles podem manipular as rotas atômicas e projetar materiais otimizados para aplicações comerciais. Materiais de memória de computador, por exemplo, fazem a transição para uma fase diferente quando um arquivo é salvo. Neste caso, é importante ter materiais que não exijam muita energia para alternar fases. Mas eles também precisam ser resistentes à troca de fase indesejada e à corrupção de dados por longos períodos de tempo.
Esforços coordenados
Fazer o PDF funcionar com um XFEL foi o resultado de um enorme esforço organizacional, – disse Ian Robinson, líder do X-ray Scattering Group no Brookhaven Lab e professor no London Centre for Nanotechnology na University College London (UCL). Por exemplo, Robinson observou, nós coordenamos de perto com Su00e9bastien Boutet e Vincent Esposito do LCLS para determinar que as linhas de luz de Macromolecular Femtosecond Crystallography (MFX) eram as mais promissoras para a técnica PDF.
A equipe também incluiu físicos da Universidade de Columbia, Universidade de Wisconsin, Madison, Laboratório Nacional Argonne do DOE e Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido.
Com seus experimentos bem-sucedidos de prova de princípio, os pesquisadores estavam ansiosos para analisar outra transição de fase do material quântico, que os cientistas estudam como um modelo para outros materiais úteis. E a excitação do material com um pulso de laser levou a uma descoberta emocionante.
Descobrindo uma nova fase do material:
Como a transição de isolante para metal deste material quântico, algumas transições de material são impulsionadas por mudanças na temperatura, pressão ou campo magnético. Mas como essas mudanças ambientais podem ocorrer naturalmente ou não intencionalmente, elas podem não ser confiáveis “”para algumas aplicações. Quando se trata de computação, é importante que os materiais responsáveis “”por armazenar arquivos não troquem de fase só porque uma sala ficou muito quente ou fria.
Então, os pesquisadores analisaram transições de não equilíbrio, uma mudança no estado do material induzida por um gatilho confiável e controlado. Neste caso, eles atingiram o material quântico com um pulso de laser.
Embora a luz do laser tenha perturbado apenas alguns átomos, os vizinhos desses átomos responderam à mudança. E então os vizinhos dos vizinhos sentiram o impacto, até que a mudança local se propagou por todo o material quântico.
Foi como um terremoto no fundo do oceano que pode perturbar um pouco de água e criar uma onda que eventualmente atinge a borda do oceano,- acrescentou Billinge.
Usando PDF ultrarrápido, os pesquisadores observaram de perto o movimento atômico enquanto a amostra era bombardeada com pulsos de laser. E pela primeira vez, eles observaram diretamente o material quântico em transição para um novo estado que ainda não havia sido identificado.
Estados transitórios e fases ocultas:
Isso foi como descobrir uma nova fase oculta da matéria que é inacessível durante as transições de equilíbrio,- disse Bozin.
A descoberta dos cientistas contribuiu para um debate de anos sobre o que realmente acontece quando certos materiais quânticos são excitados por um laser; não é apenas como aquecer o material, mas sim a geração de um estado intermediário metaestável transitório.
Curiosamente, o material ficou desordenado por dezenas de picossegundos, embora tenha começado e terminado em um estado ordenado,- disse Griffiths.
Robinson acrescentou, A descoberta de um estado transitório representa uma nova fase do material, que vive por apenas um curto período de tempo. Este é um sinal vital de que um material não descoberto e totalmente estável pode estar em uma composição próxima.-
Os cientistas estão ansiosos para descobrir esses materiais ocultos. Mas eles também querem desbloquear todo o potencial da nova técnica PDF ultrarrápida.
O futuro do PDF ultrarrápido:
Existem várias formas de comutações de fase complexas que ocorrem em materiais quânticos, e planejamos explorá-las com PDF ultrarrápido,- disse Bozin. Entender essas transições de fase pode facilitar o desenvolvimento de materiais comerciais. Mas a comunidade científica também pode usar a técnica para responder a perguntas fundamentais de física, explorar fenômenos ultrarrápidos e construir melhores supercondutores. –
Ele acrescentou: Embora tenhamos respondido a perguntas sobre caminhos de transição de materiais, parece que abrimos uma porta em vez de fechá-la. –
Assim como este projeto, os futuros não serão bem-sucedidos sem colaboração multidisciplinar.
Colaboração multidisciplinar:
Não usamos apenas as instalações do LCLS no SLAC, – Billinge explicou. As pessoas de lá também foram essenciais para tornar o PDF ultrarrápido um sucesso. –
A equipe de Brookhaven está pronta para otimizar a técnica do PDF ultrarrápido, especialmente porque o LCLS está sendo atualizado para LCLS-II-HE, o que permitirá filmes moleculares de resolução ainda maior.
Há interesse internacional em tornar isso uma técnica rotineira e bem-sucedida, – disse Bozin. E estamos ansiosos para fazer parte disso. –
Publicado em 05/08/2024 14h59
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