Usando uma técnica de raios-X disponível na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), os cientistas descobriram que a transição metal-isolante na magnetita do material correlacionado é um processo de duas etapas. Os pesquisadores da Universidade da Califórnia Davis publicaram seu artigo na revista Cartas de revisão física . NSLS-II, uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizada no Laboratório Nacional de Brookhaven, possui características únicas que permitem que a técnica seja aplicada com estabilidade e controle por longos períodos de tempo.

"Os materiais correlacionados têm eletrônicos interessantes, magnético, e propriedades estruturais, e tentamos entender como essas propriedades mudam quando sua temperatura é alterada ou sob a aplicação de pulsos de luz, ou um campo elétrico ", disse Roopali Kukreja, professor da UC Davis e principal autor do artigo. Uma dessas propriedades é a condutividade elétrica, que determina se um material é metálico ou isolante.

Se um material é um bom condutor de eletricidade, geralmente é metálico, e se não for, é então conhecido como isolante. No caso da magnetita, a temperatura pode mudar se o material é um condutor ou isolante. Para o estudo publicado, o objetivo dos pesquisadores era ver como a magnetita mudava de isolante para metálico no nível atômico à medida que ficava mais quente.

Em qualquer material, há um arranjo específico de elétrons dentro de cada um de seus bilhões de átomos. Esta ordenação de elétrons é importante porque dita as propriedades de um material, por exemplo, sua condutividade. Para entender a transição metal-isolante da magnetita, os pesquisadores precisavam de uma forma de observar como o arranjo dos elétrons no material mudava com a alteração da temperatura.

"Este arranjo eletrônico está relacionado ao motivo pelo qual acreditamos que a magnetita se torna um isolante, "disse Kukreja. No entanto, estudar esse arranjo e como ele muda em diferentes condições exigiu que os cientistas fossem capazes de olhar para a magnetita em uma escala superminúscula.

A tecnica, conhecido como espectroscopia de correlação de fótons de raios-X (XPCS), disponível na linha de feixe Coherent Soft X-ray scattering (CSX) do NSLS-II, permitiu aos pesquisadores observar como o material mudou em nanoescala - da ordem de bilionésimos de um metro.

"O CSX foi projetado para espalhamento coerente de raios-X suave. Isso significa que a linha de luz explora nosso ultrabright, fonte estável e coerente de raios-x para analisar como o arranjo do elétron muda ao longo do tempo, "explicou Andi Barbour, um cientista da CSX que é co-autor do artigo. "A excelente estabilidade permite que os pesquisadores investiguem pequenas variações ao longo das horas para que o comportamento intrínseco do elétron nos materiais possa ser revelado."

Contudo, isso não é diretamente visível, então o XPCS usa um truque para revelar as informações.

"A técnica XPCS é um método de espalhamento coerente capaz de sondar a dinâmica em um sistema de matéria condensada. Um padrão pontilhado é gerado quando um feixe de raios-X coerente é espalhado de uma amostra, como uma impressão digital de sua heterogeneidade no espaço real, "disse Wen Hu, cientista da CSX e coautor do artigo.

Os cientistas podem então aplicar diferentes condições ao seu material e, se o padrão de manchas mudar, significa que a ordem dos elétrons na amostra está mudando. "Essencialmente, O XPCS mede quanto tempo leva para a intensidade de uma mancha se tornar muito diferente da intensidade média, que é conhecido como decorrelação, "disse Claudio Mazzoli, o cientista-chefe da linha de luz na linha de luz CSX. "Considerando muitas manchas de uma vez, o tempo de decorrelação do conjunto é a assinatura da escala de tempo dinâmica para uma determinada condição de amostra. "

A técnica revelou que a transição metal-isolante não é um processo de uma etapa, como se pensava anteriormente, mas na verdade acontece em duas etapas.

"O que esperávamos era que as coisas iriam cada vez mais rápido durante o aquecimento. O que vimos foi que as coisas ficam cada vez mais rápidas e depois desaceleram. Portanto, a fase rápida é uma etapa e a segunda etapa é a desaceleração, e isso precisa acontecer antes que o material se torne metálico, "disse Kukreja. Os cientistas suspeitam que a desaceleração ocorre porque, durante a mudança de fase, as propriedades metálicas e isolantes realmente existem ao mesmo tempo no material.

"Este estudo mostra que essas escalas de comprimento nanométrico são muito importantes para esses materiais, "disse Kukreja." Não podemos acessar essas informações e esses parâmetros experimentais em qualquer outro lugar que não na linha de luz CSX do NSLS-II. "