Os pesquisadores espiaram por trás da cortina da transição de fase ultrarrápida do dióxido de vanádio e descobriram que sua teatralidade atômica é muito mais complicada do que eles pensavam. É um material que fascina os cientistas há décadas por sua capacidade de passar de isolante elétrico a condutor.

O estudo, que aparece em 2 de novembro no jornal Ciência , é uma colaboração entre pesquisadores da Duke University, o SLAC National Accelerator Laboratory em Stanford, o Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e o Instituto de Pesquisa em Radiação Síncrotron do Japão.

O dióxido de vanádio tem sido intensamente estudado por pesquisadores por mais de cinco décadas por causa de sua capacidade incomum de mudar de isolante para condutor à temperatura convenientemente atingível de 152 graus Fahrenheit. Embora outros materiais também sejam capazes de fazer essa transição, a maioria ocorre bem abaixo da temperatura ambiente, tornando o dióxido de vanádio a melhor opção para aplicações práticas.

Mais recentemente, os cientistas de materiais exploraram como essa mesma transição de fase ocorre quando a estrutura atômica do material é excitada por um extremamente curto, pulso de laser ultrarrápido. O que torna o fenômeno tão difícil de estudar é a notável velocidade com que acontece - cerca de 100 femtossegundos. Isso é um décimo de um milionésimo de um milionésimo de um segundo.

Os pulsos de raios-X ultrabrilhantes na Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, Contudo, são ainda mais rápidos.

Ao disparar a transição de fase elétrica do dióxido de vanádio com um laser de femtossegundo e, em seguida, fazer ping de seus átomos com pulsos de raios-X com apenas dezenas de femtossegundos de comprimento, os pesquisadores puderam observar a transição se desdobrar em todos os detalhes pela primeira vez. Eles descobriram que, em vez de fazer a transição de uma estrutura atômica para outra de forma direta, forma colaborativa, os átomos de vanádio chegaram a seus destinos por rotas mais imprevisíveis e independentes uns dos outros.

“Foi proposto que o material iria de uma estrutura cristalina para a outra seguindo um determinístico, embaralhamento bem definido, "disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke e um dos líderes do estudo. "Em vez disso, descobrimos que, mesmo dentro de uma única transição, cada átomo está fazendo suas próprias coisas independentemente dos outros. "

"A desordem que encontramos é muito forte, o que significa que temos que repensar como estudamos todos esses materiais que pensávamos estar se comportando de maneira uniforme, "disse Simon Wall, professor associado do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona e um dos líderes do estudo.

"Eles não se movem suavemente para suas novas posições, como membros de uma banda marchando em um campo; eles cambaleiam como festeiros deixando um bar na hora de fechar, "Wall disse." Se nosso objetivo final é controlar o comportamento desses materiais para que possamos alterná-los de uma fase para outra, é muito mais difícil controlar o coro bêbado do que a banda marcial. "

Para desvendar o significado das observações experimentais, O grupo de Delaire na Duke também conduziu simulações de supercomputador da dinâmica atômica do material. As simulações foram executadas em supercomputadores no centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional e no Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Foi alucinante quando minha aluna Shan Yang me mostrou os resultados de suas simulações quânticas de movimentos atômicos, "continuou Delaire." Combinava quase perfeitamente com os 'filmes' experimentais de intensidades de raios-X gravadas, mesmo sem a necessidade de parâmetros ajustáveis. "

Estudos anteriores não tiveram acesso à resolução espacial e temporal oferecida pelo LCLS, e só podia medir as médias dos comportamentos atômicos do material. Por causa dessas limitações, eles não podiam ver a importância dos desvios aleatórios dos movimentos médios dos átomos de vanádio.

Com a sensibilidade do LCLS, no entanto, os pesquisadores puderam obter uma imagem muito mais clara do que estava acontecendo.

"É como se os astrônomos estudassem o céu noturno, "disse Delaire." Estudos anteriores só podiam ver as estrelas mais brilhantes visíveis a olho nu. Mas com os pulsos de raios-X ultrabright e ultrarrápido, fomos capazes de ver os sinais fracos e difusos da galáxia Via Láctea entre eles. "

Este estudo, e outros gostam, são a chave para compreender o comportamento de materiais fotoexcitados. Por exemplo, se devidamente aproveitado, a reação atômica do dióxido de vanádio revelada neste estudo poderia formar a base de transistores ultrarrápidos para computadores combinando fótons e elétrons. E os pesquisadores também estão usando esse conceito geral na busca do sonho de supercondutores à temperatura ambiente.

"O novo conhecimento que adquirimos no processo de transição isolante-metal foto-induzida em dióxido de vanádio deve ser diretamente relevante para reavaliar nossa compreensão de outros materiais, "disse Delaire." Estamos apenas começando a explorar este novo reino de sermos capazes de controlar o comportamento dos materiais apenas iluminando-os, e combinar instalações de raio-X de última geração com supercomputadores para acompanhar o que está acontecendo. E estamos descobrindo que a dinâmica atômica envolvida é ainda mais complicada do que pensávamos anteriormente. "