Cientistas teóricos e experimentais se reuniram para observar a vibração dos sólidos.

Átomos ou moléculas constituem tudo ao nosso redor. Em muitos sólidos, como sal comum ou ferro, eles são organizados ordenadamente como estruturas repetidas, chamados de 'treliças de cristal'. O comportamento de um sólido em relação a qualquer fator externo, como força aplicada, é determinado pelo comportamento coletivo da rede, não átomos ou moléculas individuais. Pequenas vibrações dos constituintes determinam a resposta coletiva da rede. Em vez dos constituintes individuais, é essa resposta coletiva que determina vários fenômenos naturais, incluindo como o calor é transportado através dos sólidos e como os materiais mudam de estado entre os sólidos, líquidos, e gases.

Em um novo estudo, pesquisadores do Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim (IIT Bombay) desenvolveram um método teórico para prever variações da estrutura da rede em resposta a distúrbios externos. Este estudo, publicado no jornal npj materiais computacionais , foi parcialmente financiado pelo IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Center, o Ministério de Recursos Humanos e Desenvolvimento (agora Ministério da Educação), Departamento de Energia Atômica, e o Departamento de Ciência e Tecnologia, Governo da India.

Cientistas investigam variações na estrutura da rede, ou sua dinâmica, criando primeiro uma perturbação externa na estrutura e depois observando como a perturbação muda com o tempo. A perturbação é freqüentemente induzida por curtos flashes de luz laser. "Se você perturbar um sólido com flashes de laser, seus átomos começam a vibrar, "diz o professor Gopal Dixit, um dos autores do estudo.

A luz de raios-X ou elétrons podem revelar informações sobre a posição dos átomos e moléculas na rede. Os cientistas bombardeiam o sólido com vários raios-X ou pulsos de elétrons em instâncias separadas por alguns femtossegundos - isto é, mil de um trilionésimo de segundo. Assim, eles podem obter imagens do sólido nessas instâncias, que eles costuram para filmar os átomos vibrantes. Esses experimentos são desafiadores para projetar, envolvendo instrumentos sofisticados que são mais caros do que microscópios de laboratório padrão e estão disponíveis em alguns, instalações raras em todo o mundo. Somente na última década os cientistas foram capazes de conduzir experimentos tão avançados.

Por outro lado, estudar o arranjo molecular de sólidos não perturbados é mais fácil. Por mais de cinco décadas, os cientistas bombardearam sólidos como o silício com raios-X ou feixes de elétrons e observaram como esse feixe interage com sua rede. "A resposta do sólido ao feixe deixa marcas específicas no feixe de saída, revelando as vibrações atômicas na rede, "diz o professor Dipanshu Bansal, outro autor do estudo. Uma técnica matemática inovadora inventada pela primeira vez por Joseph Fourier, chamada de "análise de Fourier, "os ajuda a estudar as pequenas estruturas da rede no espaço e no tempo.

p No estudo atual, os pesquisadores realizaram cálculos matemáticos e demonstraram que se poderia usar uma técnica semelhante para estudar sólidos sujeitos a um temporário, perturbação externa. Eles usaram uma versão estendida do método de Fourier junto com as leis da física quântica. Adicionalmente, eles usaram a ideia fundamental de que o tempo flui em uma direção. Isso os levou a calcular uma quantidade matemática que determina como a estrutura da rede reage à perturbação externa.

Usando esta quantidade matemática, também chamada de "função de resposta, "os pesquisadores previram como os sólidos se comportariam com o tempo, até alguns femtossegundos, e espaço, até frações de nanômetro. Então, eles calcularam a função de resposta a partir de imagens disponíveis em experimentos conduzidos na última década com lasers. Esta quantidade, os pesquisadores do estudo atual demonstraram, corresponde exatamente à função de resposta teórica. Seu cálculo mostra pela primeira vez que não há necessidade de realizar experimentos sofisticados para estudar a dinâmica dos sólidos.

Existem outras vantagens. "Nosso método proposto não requer raios-X separados ou pulsos de elétrons separados por frações de picossegundos para estudar a dinâmica. um único pulso é o suficiente, "afirma o professor Dixit. Os cálculos demoram apenas alguns dias nos computadores pessoais, enquanto os experimentos podem levar de dias a meses.

O estudo também reuniu teóricos e experimentalistas. "Nosso trabalho é um verdadeiro sucesso de esforços colaborativos, "diz o professor Bansal, um cientista experimental. "Precisávamos de informações sobre as condições experimentais exatas que não eram explicadas pela teoria, e físicos teóricos para enfrentar a tarefa, "acrescenta o professor Dixit, quem é um teórico. "Embora existam desafios na realização de experimentos, os cálculos teóricos não têm limitações, "admite o professor Bansal, o experimentalista.

Os pesquisadores afirmam que seu método é aplicável para sólidos em diferentes ambientes, como em um campo magnético, sob pressão externa, ou alta temperatura. "Isso não é possível nem mesmo através dos experimentos microscópicos mais sofisticados, "diz o professor Bansal. Embora não seja fácil estimar a função de resposta a partir dos dados limitados disponíveis em experimentos, os rápidos avanços tecnológicos estão tornando mais fácil conduzir investigações. Os pesquisadores estão planejando colocar sua teoria à prova para esses experimentos também.