Qualquer um que tenha visto o vapor subir de uma chaleira fervente ou cristais de gelo se formando em uma janela molhada no inverno observou o que os cientistas chamam de transição de fase.
As transições de fase – como aquelas entre sólidos, líquidos e gases – ocorrem em todos os tipos de substâncias diferentes e podem ocorrer rápida ou lentamente. Os cientistas planejam usar transições de fase para poder controlar as propriedades eletrônicas, estruturais ou magnéticas de diferentes materiais à medida que sofrem essas mudanças, como para uso em novos tipos de memórias de computador.

No novo estudo, os pesquisadores foram capazes de observar pela primeira vez uma transição de fase estrutural em detalhes minuciosos em uma escala de tempo muito rápida. Os cientistas fizeram "fotografias" de raios-X que são espaçadas em menos de um décimo de 1 bilionésimo de segundo por meio de uma técnica chamada microscopia de nanodifração. “Um vídeo típico pode ser reproduzido a 30 quadros por segundo, então este é aproximadamente um vídeo em câmera lenta que pode resolver dinâmicas extremamente rápidas”, disse Haidan Wen, físico do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

A capacidade de testemunhar a evolução do comportamento dos materiais com tanta precisão no tempo e no espaço revelou comportamentos incomuns em certos materiais que sofrem uma mudança de fase, incluindo muitos materiais magnéticos.

“Somos capazes de ampliar uma amostra em termos de tempo e espaço de maneiras que nunca conseguimos antes”, disse Youngjun Ahn, o primeiro autor do estudo. Ahn é um ex-estagiário de pós-graduação em Argonne da Universidade de Wisconsin-Madison. Para este trabalho, ele colaborou estreitamente com Wen. "Este método nos dá uma visão precisa das mudanças estruturais em nossa amostra que são difíceis de ver com qualquer outro método", disse Ahn.

O estudo usou o Nanoprobe Hard X-Ray operado pelo Center for Nanoscale Materials (CNM) na Advanced Photon Source (APS) em Argonne. O APS e o CNM são instalações de usuários do DOE Office of Science.

Ao observar as transições de fase em um composto de ferro-ródio, os pesquisadores descobriram uma maneira de observar a estrutura do composto mudar entre duas configurações magnéticas. A mudança causa uma expansão da rede atômica que é muito pequena, mas suficiente para ter consequências significativas para o magnetismo.

Os cientistas podem usar as fases magnéticas para criar um novo tipo de armazenamento magnético que promete ser mais rápido e mais eficiente em termos de energia do que o armazenamento de dados convencional. Em todos os materiais magnéticos, a manipulação de transições de fase em torno da temperatura crítica em que ocorrem pode fornecer a chave para poder inverter um bit de armazenamento de informações entre um "1" e um "0".

Para criar memórias magnéticas compactas, os cientistas precisam ter uma maneira de manipulá-las com precisão. Uma maneira de fazer isso é com uma mudança local de temperatura.

Ao aquecer um bit magnético, os cientistas poderiam ter uma maneira de induzir a reconfiguração que eles usam para codificar informações com menor consumo de energia, o que é conhecido como gravação magnética assistida por calor. "Uma das coisas muito interessantes sobre este material em particular - ferro-ródio - é que ele tem uma transição de fase a uma temperatura que pode ser usada para esses tipos de aplicações", disse Paul Evans, professor da Universidade de Wisconsin-Madison. “Mas para fazer os tipos de manipulação que nos interessam, precisamos de uma 'câmera' melhor. É por isso que usar essa técnica recém-desenvolvida para estudá-la é importante."

"O aspecto chave do nosso experimento é que somos capazes de acessar as regiões extremamente pequenas do espaço ou momentos rápidos no tempo com alta precisão que nos permite descobrir dinâmicas em nanoescala que não foram reconhecidas antes", acrescentou Wen, que concebeu o trabalho .

A próxima atualização do APS terá implicações significativas para outros experimentos que visualizem esses tipos de transições de fase. "Após a atualização do APS", disse Martin Holt, cientista de raios X de Argonne, "esperamos alcançar uma resolução espacial mais alta, em particular, explorando a coerência aprimorada do feixe de raios X. Nosso desenvolvimento de resolução de tempo ultrarrápida dentro desse tipo de A microscopia de raios X é o que nos ajuda a entender as causas dos tipos de efeitos que estamos observando. Esta é uma capacidade única que o APS atualizado pode oferecer."

Um artigo baseado no estudo, "Imagens de nanodifração de raios-X revela dinâmica nanoscópica distinta de uma transição de fase ultrarrápida", apareceu em Proceedings of the National Academy of Sciences . + Explorar mais

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