Atingir um material com luz laser envia vibrações através de sua rede de átomos, e ao mesmo tempo pode empurrar a rede para uma nova configuração com propriedades potencialmente úteis - transformando um isolante em um metal, por exemplo.

Até agora, os cientistas presumiram que tudo aconteceu de uma forma suave, forma coordenada. Mas dois novos estudos mostram que não:quando você olha além da resposta média dos átomos e vibrações para ver o que eles fazem individualmente, a resposta, eles encontraram, é desordenado.

Os átomos 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.

E as vibrações disparadas por laser não morrem simplesmente; eles acionam vibrações menores que acionam outras ainda menores, espalhando sua energia na forma de calor, como um rio que se ramifica em uma complexa rede de riachos e riachos.

Este comportamento imprevisível em pequena escala, medido pela primeira vez com uma nova técnica de laser de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, terá que ser levado em consideração a partir de agora ao estudar e projetar novos materiais, os pesquisadores disseram - especialmente materiais quânticos com aplicações potenciais em sensores, janelas inteligentes, armazenamento e conversão de energia e condutores elétricos supereficientes.

Duas equipes internacionais distintas, incluindo pesquisadores do SLAC e da Universidade de Stanford que desenvolveram a técnica, relataram os resultados de seus experimentos em 20 de setembro em Cartas de revisão física e hoje em Ciência .

"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, um professor associado do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona e um dos três líderes do estudo relatado em Ciência . "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. "

Levantando a névoa

A maneira clássica de determinar a estrutura atômica de uma molécula, seja de um material feito pelo homem ou de uma célula humana, é atingi-lo com raios-X, que ricocheteiam e se espalham em um detector. Isso cria um padrão de pontos brilhantes, chamados picos de Bragg, que pode ser usado para reconstruir como seus átomos estão dispostos.

Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, com seus pulsos de laser de raio-X superbrilhantes e ultrarrápidos, permitiu aos cientistas determinar as estruturas atômicas com cada vez mais detalhes. Eles podem até mesmo tirar instantâneos instantâneos de quebra de ligações químicas, por exemplo, e amarrá-los juntos para fazer "filmes moleculares".

Cerca de uma dúzia de anos atrás, David Reis, professor do SLAC e Stanford e investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES), se perguntou se uma névoa tênue entre os pontos brilhantes no detector - 10, 000 vezes mais fraco do que aqueles pontos brilhantes, e considerado apenas ruído de fundo - também pode conter informações importantes sobre mudanças rápidas em materiais induzidas por pulsos de laser.

Ele e o cientista do SIMES, Mariano Trigo, desenvolveram uma técnica chamada "espalhamento difuso ultrarrápido", que extrai informações da névoa para obter uma imagem mais completa do que está acontecendo e quando.

Os dois novos estudos representam a primeira vez que a técnica foi usada para observar detalhes de como a energia se dissipa nos materiais e como a luz desencadeia uma transição de uma fase, ou estado, de um material para outro, disse Reis, que junto com Trigo é co-autor de ambos os artigos. Essas respostas são interessantes tanto para a compreensão da física básica dos materiais quanto para o desenvolvimento de aplicações que usam luz para ligar e desligar as propriedades dos materiais ou converter calor em eletricidade, por exemplo.

"É como se os astrônomos estudassem o céu noturno, "disse Olivier Delaire, um professor associado da Duke University que ajudou a conduzir um dos estudos. "Estudos anteriores só conseguiam 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. "

Pequenos sinos e cordas de piano

No estudo publicado em Cartas de revisão física , Reis e Trigo lideraram uma equipe que investigou vibrações chamadas fônons, que sacodem a rede atômica e espalham calor por um material.

Os pesquisadores sabiam que fônons desencadeados por decaimento de pulsos de laser, liberando sua energia em toda a rede atômica. Mas para onde vai toda essa energia? Os teóricos propuseram que cada fônon deve desencadear outro, fônons menores, que vibram em frequências mais altas e são mais difíceis de detectar e medir, mas estes nunca foram vistos em um experimento.

Para estudar este processo no LCLS, a equipe atingiu uma fina película de bismuto com um pulso de luz laser óptica para disparar fônons, seguido por um pulso de laser de raio X cerca de 50 quatrilionésimos de segundo depois para registrar como os fônons evoluíram. Os experimentos foram conduzidos pelo estudante de graduação Tom Henighan e pelo pesquisador de pós-doutorado Samuel Teitelbaum do Stanford PULSE Institute.

Pela primeira vez, Trigo disse, eles foram capazes de observar e medir como os fônons iniciais distribuíam sua energia por uma área mais ampla, disparando vibrações menores. Cada uma dessas pequenas vibrações emanava de uma porção distinta de átomos, e o tamanho do patch - se continha 7 átomos, ou 9, ou 20 - determinou a frequência da vibração. Era muito parecido com a forma como tocar um grande sino faz sinos menores tilintar nas proximidades, ou como dedilhar uma corda de piano faz outras cordas zumbirem.

"Isso é algo que esperamos anos para poder fazer, então estávamos animados, "Disse Reis." É uma medida de algo absolutamente fundamental para a física moderna do estado sólido, para tudo, desde como o calor flui nos materiais até mesmo, em princípio, como a supercondutividade induzida pela luz emerge, e não poderia ter sido feito sem um laser de elétrons livres de raios-X como o LCLS. "

Uma marcha desordenada

O artigo da Science descreve experimentos de LCLS com dióxido de vanádio, um material bem estudado que pode passar de isolante a condutor elétrico em apenas 100 quatrilionésimos de segundo.

Os pesquisadores já sabiam como acionar essa mudança com muito curto, pulsos ultrarrápidos de luz laser. Mas até agora eles só podiam observar a resposta média dos átomos, que parecia embaralhar em suas novas posições de forma ordenada, disse Delaire, que liderou o estudo com Wall e Trigo.

A nova rodada de experimentos de espalhamento difuso no LCLS mostrou o contrário. Ao atingir o dióxido de vanádio com um laser óptico da energia certa, os pesquisadores foram capazes de desencadear um rearranjo substancial dos átomos de vanádio. Eles fizeram isso mais de 100 vezes por segundo enquanto registravam os movimentos de átomos individuais com o laser de raios-X LCLS. Eles descobriram que cada átomo seguia um independente, caminho aparentemente aleatório para sua nova posição de rede. Simulações de computador feitas pelo estudante de graduação da Duke, Shan Yang, corroboraram essa conclusão.

"Nossos resultados sugerem que a desordem pode desempenhar um papel importante em alguns materiais, "a equipe escreveu no artigo da Science. Embora isso possa complicar os esforços para controlar a forma como os materiais mudam de uma fase para outra, eles adicionaram, "pode, em última análise, fornecer uma nova perspectiva sobre como controlar a matéria, "e até mesmo sugerir uma nova forma de induzir a supercondutividade com a luz.

Em um comentário que acompanha o relatório em Ciência , Andrea Cavalleri, da Universidade de Oxford e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, disse que os resultados implicam que filmes moleculares de átomos mudando de posição ao longo do tempo não pintam um quadro completo da física microscópica envolvida.

Ele adicionou, "De forma geral, fica claro a partir deste trabalho que os lasers de elétrons livres de raios-X estão abrindo muito mais do que o que foi previsto quando essas máquinas estavam sendo planejadas, forçando-nos a reavaliar muitas noções antigas tidas como certas até agora. "