A "frustração" mais um pulso de luz laser resultou em um "supercristal" estável criado por uma equipe de pesquisadores liderada pelo Penn State e o Argonne National Laboratory, junto com a Universidade da Califórnia, Berkeley, e dois outros laboratórios nacionais.

Este é um dos primeiros exemplos de um novo estado da matéria com estabilidade de longo prazo transfigurado pela energia de um pulso de laser subpico-segundo. O objetivo da equipe, apoiado pelo Departamento de Energia, é descobrir estados interessantes da matéria com propriedades incomuns que não existem em equilíbrio na natureza.

"Estamos procurando estados ocultos da matéria tirando a matéria de seu estado confortável, que chamamos de estado fundamental, "diz o líder da equipe da Penn State, Venkatraman Gopalan, professor de ciência dos materiais. "Fazemos isso estimulando os elétrons a um estado superior usando um fóton, e então observar enquanto o material volta ao seu estado normal. A ideia é que no estado de excitação, ou em um estado que passa por um piscar de olhos no caminho para o estado fundamental, encontraremos propriedades que desejaríamos ter, como novas formas de polar, estados magnéticos e eletrônicos. "

Encontrar esses estados é feito por uma técnica de bomba-sonda, quando um laser dispara um fóton na amostra por 100 femtossegundos em um comprimento de onda de 400 nanômetros - luz azul. A luz da bomba excita os elétrons em um estado de maior energia e é rapidamente seguida por uma luz de sonda, que é um pulso de luz mais suave que lê o estado do material. O desafio para a equipe era encontrar uma maneira de manter o estado intermediário da matéria, porque o estado pode existir por apenas uma minúscula fração de segundo e então desaparecer. Contudo, os pesquisadores descobriram que, à temperatura ambiente, o supercristal está preso nesse estado essencialmente para sempre.

Gopalan compara este desafio a enviar uma bola rolando montanha abaixo. Não vai parar até chegar ao sopé da montanha, a menos que algo fique em seu caminho, diga uma saliência. A equipe conseguiu isso "frustrando o sistema" - não permitindo que o material fizesse o que ele queria, que é permitir que ele minimize sua energia totalmente sem restrições.

Os pesquisadores fizeram isso usando camadas atômicas únicas de dois materiais, titanato de chumbo e titanato de estrôncio, empilhados em camadas alternadas umas sobre as outras para construir uma estrutura tridimensional. O titanato de chumbo é um ferroelétrico, um material polar que tem polarização elétrica levando a pólos elétricos positivos e negativos no material. O titanato de estrôncio não é um material ferroelétrico. Essa incompatibilidade forçou os vetores de polarização elétrica a tomar um caminho não natural, curvando-se para trás para formar vórtices, como água escorrendo por um ralo.

A equipe de Berkeley cresceu essas camadas sobre um substrato de cristal cujos cristais eram de tamanho intermediário entre os materiais de duas camadas. Isso proporcionou um segundo nível de "frustração, "à medida que a camada de titanato de estrôncio tentava esticar para se conformar com a estrutura de cristal do substrato, e o titanato de chumbo teve que se comprimir para se conformar a ele. Isso colocou todo o sistema em um estado delicado, mas "frustrado", com várias fases distribuídas aleatoriamente no volume.

Neste ponto, os pesquisadores eletrocutaram o material com um pulso de laser, que despeja cobranças gratuitas no material, adicionar energia elétrica extra ao sistema, levando-o a um novo estado da matéria, um supercristal. Esses supercristais têm uma célula unitária - a unidade de repetição mais simples em um cristal - muito maior do que qualquer cristal inorgânico comum, com um volume um milhão de vezes maior do que as células unitárias dos dois materiais originais. O material encontra esse estado por conta própria.

Ao contrário dos estados transitórios, este estado supercristal permanece potencialmente para sempre à temperatura ambiente - pelo menos um ano neste estudo - a menos que seja aquecido a cerca de 350 graus Fahrenheit onde é apagado. O processo pode ser repetido batendo no material com um pulso de luz e apagado com calor. Este estado só pode ser criado por pulsos de laser ultracurtos com uma certa quantidade mínima de energia de limiar, e não espalhando essa energia por longos pulsos.

Vlad Stoica, um bolsista de pós-doutorado compartilhado em conjunto entre o Penn State e o Argonne National Laboratory, e o autor principal, usaram difração de raios-X de alta energia para examinar o supercristal antes e depois de se formar, mostrando claramente a transformação da matéria desordenada em um supercristal. Os resultados foram divulgados hoje (18 de março) online em Materiais da Natureza .

"Em virtude de sua curta duração de pulso, um laser ultrarrápido imprime excitações em materiais mais rápido do que seu tempo de resposta intrínseco, "Stoica disse." Embora essas transformações dinâmicas já tenham sido exploradas por décadas para estimular o pedido de materiais, uma estratégia para sua estabilização em estado estacionário parecia fora de alcance até agora. "

A difração de raios-X de alta resolução combinada com imagens em nível de nanoescala foi usada pelos pesquisadores da Argonne para observar a evolução do reordenamento estrutural irreversível.

"Pela primeira vez, observamos que uma única irradiação de pulso de laser ultrarrápido de material polar em camadas artificialmente pode induzir à perfeição estrutural de longo alcance quando a partir de uma desordem relativa, "eles disseram." Esta demonstração experimental já estimulou desenvolvimentos teóricos e tem implicações importantes para a realização futura de nanomateriais artificiais que não são alcançáveis ​​pela fabricação tradicional. "

"A combinação de raios-X e fontes ópticas ultrarrápidas na Advanced Photon Source nos deu a melhor oportunidade de explorar a estrutura em nanoescala do supercristal, junto com a capacidade de entender por que o material pode ser alterado repetidamente de estados ordenados para desordenados, "disse John Freeland, autor correspondente em "Criação Ótica de um Supercrestal com Periodicidade Tridimensional em Nanoescala" e cientista da equipe do Laboratório Nacional de Argonne. "Essa informação, junto com a modelagem, deu-nos uma visão muito profunda da física por trás da criação desta nova fase. "

O grupo de teoria de Long-Qing Chen na Penn State realizou cálculos de computador usando um pacote de software de campo de fase mu-PRO que simulou de perto os resultados experimentais.

"É bastante notável que nossas simulações de campo de fase foram capazes de prever as imagens tridimensionais do espaço real de um supercristal cujos padrões de difração geralmente correspondem aos padrões experimentais, e identificar uma gama de condições termodinâmicas para a estabilidade do supercristal. Esses estudos experimentais e computacionais integrados são extremamente úteis e produtivos, "Chen disse. Outros membros da equipe de Oak Ridge National Lab e Lawrence Berkeley National Lab contribuíram para o trabalho.