Os pesquisadores explicaram os mecanismos por trás de um fenômeno contra-intuitivo:tornar eficaz uma transição de fase requer menos energia se for iniciada por dois pulsos de luz em vez de apenas um. A energia necessária para completar a transição de fase foi reduzida em 6% e pode ser otimizada ainda mais. Esses resultados têm potencial para serem transferidos para outros materiais, oferecendo novos caminhos para controle preciso de materiais e inovação tecnológica.



As transições de fase transformam fisicamente as substâncias e alteram uniformemente suas propriedades. Um exemplo típico é a água fervente que transforma o líquido em fase gasosa, resultando em uma mudança abrupta de volume. Existem outras transições de fase com grande relevância para as tecnologias, como o armazenamento de dados em discos compactos ou Blu-ray.

Durante um processo de armazenamento óptico de dados, os pulsos de laser alteram a fase estrutural do material da superfície. As marcas de gravação nos discos são criadas primeiro derretendo o material com o laser e depois resfriando rapidamente o material fundido abaixo de sua temperatura de cristalização; o processo altera a refletividade das áreas fundidas. Isso é conhecido como gravação de mudança de fase.

Nos últimos anos, a ideia de usar não um, mas vários pulsos de laser para controlar as transições de fase chamou a atenção desde que se percebeu que a luz poderia conduzir as transições de forma coerente. As transições de fase coerentes são interessantes porque alteram suavemente o material entre duas fases.

No entanto, o controle coerente requer uma conexão tão suave entre as estruturas cristalinas de duas fases e exclui muitas transições tecnologicamente relevantes, como transições cristalinas para amorfas em vidros de calcogeneto para armazenamento de dados.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) demonstrou uma rota alternativa e incoerente para controle de material que melhora a eficiência energética da transição de fase em um material de referência, o óxido de vanádio (VO₂ ). Eles descobriram que a transição de fase entre as fases metálica e isolante quando acionada por dois pulsos, em vez de um único pulso, pode exigir menos energia.

O material estudado – óxido de vanádio – é um sistema prototípico para a compreensão de transições de fase em materiais quânticos. Situa-se entre sistemas de ondas de densidade de carga (transformados por alguns modos de comprimento de onda longo, mostrando coerência) e transições de fase cristalina-amorfa (distorções locais não correlacionadas conduzem a transição, mostrando desordem). Em altas temperaturas o óxido de vanádio está na fase metálica (rutilo), mas abaixo de 60° está na fase isolante (monoclínica).

Normalmente, a excitação da fase isolante com um pulso de luz conduz um cristal de dióxido de vanádio para a fase metálica. Allan Johnson e sua equipe usaram uma estratégia alternativa. Eles usaram um pulso fraco para preparar um estado de vibração coerente, para excitar ainda mais a amostra com um segundo pulso de luz após um pequeno atraso (na faixa de picossegundos).

Para sua surpresa, descobriram que o limiar de energia, no qual o material começa a transformar-se na fase metálica, depende do atraso entre os dois pulsos e que a energia necessária para completar a transição de fase é reduzida no esquema de pulso duplo, em comparação com o esquema de pulso único.

Os resultados notáveis ​​indicam que excitações múltiplas podem reduzir a energia necessária para conduzir a transição de fase no óxido de vanádio em até 6%. Quando questionado sobre a melhoria, Allan Johnson diz:“Isso pode não parecer uma grande economia de energia, mas o processo ainda precisa ser otimizado e no momento não sabemos quanto podemos ganhar. aplicado a muitos materiais, e isso é muito promissor."

A característica mais interessante de sua descoberta é que o processo poderia ser facilmente transferido para dispositivos existentes que trabalham com feixes de laser pulsados ​​ultrarrápidos, simplesmente dividindo o pulso em dois e atrasando o tempo entre os pulsos.

Ao contrário da gama limitada de materiais que apresentam coerência estrutural, a desordem correlacionada pode, em princípio, ser induzida em qualquer sólido. Consequentemente, a estratégia de semeadura não homogênea pode ser aplicável a uma ampla gama de sólidos, incluindo aqueles utilizados em aplicações de energia e armazenamento de dados.

O momento eureka para o Dr. Johnson foi perceber que seus dados de raios X – adquiridos ininterruptamente durante três longos dias e noites em instalações de laser de raios X no Japão – correspondiam aos experimentos de múltiplos pulsos de seu próprio laboratório. Eles explicaram que o mecanismo de controle envolve a formação de polarons, quasipartículas que se formam devido ao acoplamento de excesso de elétrons ou buracos com vibrações iônicas.

Notavelmente, embora outros cientistas tenham observado fenómenos semelhantes nos seus dados laboratoriais, os mecanismos por detrás destas observações permaneceram indefinidos até agora. Allan Johnson e seus colaboradores elucidaram os processos subjacentes, destacando a formação de polarons e seu ordenamento em direções específicas como um fator chave na redução da penalidade de energia para a fase metálica. Conduzir a transição de fase excitando esse estado de movimento desordenado pode ser alcançado com menos energia.

Além disso, a redução dinâmica da barreira significa que os cientistas são capazes de reduzir seletivamente a energia necessária para a transição de fase acionada por laser sem aumentar a probabilidade de comutação térmica, em contraste com outros métodos para melhorar a eficiência.

Os resultados foram publicados na Nature Physics . As implicações desta pesquisa vão além da ciência fundamental, oferecendo novos caminhos para o controle preciso de materiais e inovação tecnológica. À medida que a equipe continua a otimizar o método e a explorar novos materiais, o potencial para avanços transformadores na ciência dos materiais e no controle óptico permanece alto.

Mais informações: Allan S. Johnson et al, Semeadura totalmente óptica de uma transição de fase induzida pela luz com desordem correlacionada, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02474-4
Informações do diário: Física da Natureza

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