Em experimentos no SLAC, pulsos únicos de luz laser foram usados para mudar o dissulfeto de tântalo de um estado para outro e vice-versa. No sentido horário a partir da esquerda:Um único pulso de luz transforma o material de seu inicial, estado alfa (vermelho) em uma mistura de estados alfa e beta (azul) que são separados por paredes de domínio (direita). Um segundo pulso de luz dissolve as paredes do domínio e o material retorna ao seu estado original. Switches como esse podem levar ao desenvolvimento de novos tipos de dispositivos de armazenamento de dados. Crédito:Science Advances
Cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts demonstraram uma maneira surpreendentemente simples de passar um material de um estado para outro, e depois de volta, com flashes únicos de luz laser.
Este comportamento de comutação é semelhante ao que acontece em materiais de armazenamento de dados magnéticos, e fazer a troca com luz laser pode oferecer uma nova maneira de ler e gravar informações em dispositivos de armazenamento de dados de última geração, entre outras aplicações sem precedentes, diz Nuh Gedik, o investigador principal do estudo no MIT. A equipe relatou seus resultados hoje em Avanços da Ciência .
Ondas congeladas de elétrons
Nos dispositivos de hoje, a informação é armazenada e recuperada invertendo o spin dos elétrons com um campo magnético. "Mas aqui mudamos uma propriedade de material diferente, conhecida como ondas de densidade de carga, "diz Alfred Zong, um estudante de pós-graduação no grupo de Gedik e um dos principais autores do estudo.
As ondas de densidade de carga são picos e vales periódicos na maneira como os elétrons são distribuídos em um material. Eles estão imóveis, como ondas geladas em um lago congelado. Os cientistas querem aprender mais sobre essas ondas porque muitas vezes coexistem com outras propriedades materiais interessantes, como a capacidade de conduzir eletricidade sem perdas em temperaturas relativamente altas, e podem estar potencialmente relacionados a essas propriedades.
Esta imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostra uma parede de domínio (marcada com círculos amarelos) entre dois estados diferentes, alfa (área vermelha) e beta (área azul), em um cristal de dissulfeto de tântalo. O estado beta e a parede de domínio se formaram depois que o cristal foi atingido com um único pulso de luz. Crédito:Science Advances
O novo estudo focou no dissulfeto de tântalo, um material com ondas de densidade de carga que são orientadas na mesma direção no que é chamado de estado alfa. Quando os pesquisadores eletrocutaram um fino cristal do material com um pulso de laser muito breve, algumas das ondas mudaram para um estado beta com uma orientação de elétron diferente, e as regiões alfa e beta foram separadas por paredes de domínio. Um segundo flash de luz dissolveu as paredes do domínio e retornou o material ao seu estado alfa puro.
Mudança de material surpreendente
Essas mudanças no material, que nunca tinha sido visto antes, foram detectados com o instrumento SLAC para difração de elétrons ultrarrápida (UED), uma "câmera de elétrons" de alta velocidade que analisa os movimentos da estrutura atômica de um material com um poderoso feixe de elétrons muito energéticos.
"Estávamos procurando outros efeitos em nosso experimento, então, fomos pegos de surpresa quando vimos que podemos escrever e apagar paredes de domínio com pulsos de luz simples, "diz Xijie Wang, chefe do grupo UED do SLAC.
Os padrões de intensidade registrados com a "câmera de elétrons" do SLAC mostraram aos pesquisadores como a estrutura atômica de um cristal de dissulfeto de tântalo respondeu a flashes de laser, mudar de um estado alfa (esquerda) para um estado alfa / beta (direita) e vice-versa. Os padrões de intensidade foram usados para reconstruir a estrutura atômica. Crédito:Science Advances
Anshul Kogar, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Gedik, diz, "As paredes do domínio são uma característica particularmente interessante porque têm propriedades que diferem do resto do material." Por exemplo, eles podem desempenhar um papel na mudança drástica vista na resistência elétrica do dissulfeto de tântalo quando é exposto a pulsos de luz ultracurtos, o que foi previamente observado por outro grupo.
Xiaozhe Shen, cientista da equipe do SLAC, um dos principais autores do estudo na equipe de Wang, diz, "O UED nos permitiu analisar em detalhes como os domínios se formaram ao longo do tempo, quão grandes eles eram e como eles foram distribuídos no material. "
Os pesquisadores também descobriram que podem ajustar o processo ajustando a temperatura do cristal e a energia do pulso de luz, dando-lhes controle sobre a troca de material. Em uma próxima etapa, a equipe quer ganhar ainda mais controle, por exemplo, moldando o pulso de luz de uma forma que permite a geração de padrões de domínio específicos no material.
"O fato de podermos afinar um material de uma maneira muito simples parece muito fundamental, "Diz Wang." Tão fundamental, na verdade, que pode vir a ser um passo importante em direção ao uso da luz na criação das propriedades materiais exatas que desejamos. "
