Os cientistas obtiveram padrões de difração de elétrons ultrarrápidos (UED) antes e depois de excitarem a amostra de sulfeto de cobre com pulsos de laser ((a), imagens inferior e superior, respectivamente). O (110) e (120) referem-se a superfícies diferentes, ou aviões, da amostra. Os cientistas também obtiveram padrões de difração de elétrons do material monoclínico, ou baixa simetria, fase e sua fase hexagonal de alta simetria através de microscopia eletrônica de transmissão ((b), imagens inferior e superior, respectivamente). Os quadrados abertos representam picos de difração que aparecem em ambas as fases, enquanto os triângulos abertos representam picos que só aparecem na fase de baixa simetria. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Quando você vira rapidamente as páginas de um flipbook, a série de imagens estáticas parece estar se movendo. Cientistas aplicaram recentemente um princípio semelhante para capturar como a estrutura de um material muda em escalas de tempo extremamente curtas - meros trilionésimos de segundo ou mais rápido. Para registrar este movimento em escala atômica, eles precisavam de um instrumento especial alojado no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE).
"Este instrumento de difração de elétrons ultrarrápido, que tem feixes de elétrons com energia de um milhão de elétron-volts, foi projetado e feito internamente, "disse Jing Tao, um físico do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Laboratório Brookhaven (CMPMS) e autor correspondente no Cartas de Física Aplicada papel relatando o trabalho. "Colaboramos com a unidade de teste do acelerador do laboratório para garantir que a temperatura, umidade, e outras condições ambientais permaneceram estáveis e que o instrumento estava devidamente alinhado. "
Os microscópios eletrônicos de hoje podem resolver átomos individuais, mas normalmente apenas em tempos de exposição da ordem de segundos. Contudo, os átomos se movem muito mais rapidamente do que isso.
"Estamos analisando a dinâmica estrutural que acontece dentro de centenas de femtossegundos a alguns picossegundos, "disse o primeiro autor Junjie Li, um físico do Departamento CMPMS. "Para referência, um femtossegundo é equivalente a um quatrilionésimo de segundo. "
Neste estudo, os cientistas investigaram a estrutura dos nanocristais de sulfeto de cobre. Acima de uma certa temperatura, o sulfeto de cobre passa por uma transição na qual sua estrutura cristalina muda de uma fase de baixa simetria para uma fase de alta simetria. Durante esta transição de fase, seus íons de cobre se tornam altamente móveis, tornando-o um material promissor para dispositivos eletroquímicos e termoelétricos de última geração, como baterias e interruptores elétricos.
Um material pode seguir vários caminhos ao se transformar de uma fase para outra. Este esquema mostra uma transição de fase estrutural para um conjunto unidimensional de átomos em que a simetria do cristal se quebra e a rede se expande. Imediatamente antes de o pulso de laser chegar (fase 1), existem dois tipos de átomos (círculos verdes e marrons) que estão desigualmente espaçados. O pulso conduz o material da fase 1 para a 2, em que os tipos de átomos são os mesmos, mas a simetria da rede e o espaçamento são diferentes. A laranja, magenta, e as setas azuis indicam as possíveis vias de transição no domínio do tempo ultrarrápido. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
"Todas as propriedades do material têm uma origem estrutural, "disse Tao." Identificar e compreender o mecanismo que está conduzindo a estrutura de um material é a chave para melhorar seu desempenho para aplicações do mundo real. "
As propriedades ideais dos materiais muitas vezes surgem em transições de fase envolvendo mudanças simultâneas na simetria do cristal, estrutura eletronica, e susceptibilidade magnética, tornando difícil determinar a força primária que conduz a transição. Experimentos anteriores conduzidos por outros grupos demonstraram que a transição de fase estrutural no sulfeto de cobre foi causada por uma difusão de íons de cobre. Então, a equipe de Brookhaven descobriu que aumentar ou diminuir continuamente o número de elétrons bombeados para o material ao longo do tempo fazia sua estrutura cristalina oscilar entre as fases de simetria baixa e alta à temperatura ambiente.
"Ficamos surpresos ao descobrir que uma mudança mínima na taxa de dosagem de elétrons provoca um enorme movimento coletivo dos íons de cobre porque mostrou que a transição de fase estrutural está de alguma forma relacionada à manipulação eletrônica, "disse Tao." Sabíamos que deve haver uma relação intrínseca, mas não tinha provas. A resolução de tempo de femtossegundo fornecida pelo nosso instrumento possibilitou-nos ver como o movimento dos íons de cobre está correlacionado com as mudanças na estrutura eletrônica. "
Para iniciar a transição estrutural, os cientistas "bombearam" o material com pulsos de laser, trazendo-o para seu estado de energia excitado. Após atrasos de tempo bem controlados, eles então enviaram pulsos de elétrons através da amostra e registraram a maneira como os elétrons foram espalhados. Os padrões de difração de elétrons resultantes revelaram a estrutura cristalina do material nos momentos exatos em que o feixe de elétrons interagiu com ele. Ao combinar esses "instantâneos" estruturais obtidos em vários atrasos de tempo entre os pulsos de laser e elétrons, eles produziram um filme capturando a maneira como a estrutura evolui do início ao fim da transição de fase.
Ao analisar as assinaturas de difração de elétrons, Li ficou chocado ao descobrir que a transição de fase estrutural envolveu dois processos separados que ocorreram em escalas de tempo muito diferentes.
"Eu descobri que a simetria do cristal, ou como os íons se organizam, quebra em dois picossegundos, e o volume da rede cristalina se expande de 10 a 20 picossegundos, "disse Li." Até agora, os cientistas pensaram que a simetria e o volume mudaram ao mesmo tempo. Por causa da resolução de tempo insuficiente, eles só foram capazes de tirar um instantâneo no início da transição e outro no final e, portanto, não capturaram o que estava acontecendo no meio. "
Acontece que a escala de tempo da mudança de simetria do cristal coincide com a de outro processo:relaxamento da portadora eletrônica, ou o movimento dos elétrons de um estado de energia excitado (induzido pela excitação do laser) para o estado fundamental. Dada esta coincidência, a equipe de Brookhaven acredita que as interações entre os elétrons e os átomos que vibram na rede (fônons) podem estar por trás da transição de simetria do cristal.
"O fato de que ambos os processos acontecem em dois picossegundos sugere fortemente que o acoplamento elétron-fônon governa a transição, "disse Li." Os cientistas pensam que o acoplamento elétron-fônon desempenha um papel muito importante em muitos materiais quânticos e fortemente correlacionados com propriedades emergentes - por exemplo, supercondutores, que pode transportar eletricidade sem resistência, e multiferróicos, que exibem polarizações magnéticas e elétricas espontâneas. Mas este mecanismo ainda não é totalmente compreendido, mesmo depois de décadas de pesquisa. "
Agora que os cientistas têm o equipamento adequado para capturar a dinâmica estrutural ultrarrápida, eles esperam encontrar a origem das transições de fase em outros materiais.
"A comunidade científica deu como certo que a quebra da simetria do cristal e a expansão da rede ocorrem juntas, "disse Tao." A capacidade de separar esses processos é um avanço que nos ajudará a entender as relações estrutura-propriedade em uma ampla gama de materiais. "
