Os pesquisadores da Vanderbilt, Sokrates Pantelides e Joshua Caldwell, fazem parte de uma colaboração internacional que demonstrou uma nova maneira de manipular e medir vibrações atômicas sutis em nanomateriais. Esse avanço pode possibilitar o desenvolvimento de funcionalidades personalizadas para melhorar e construir novas tecnologias.
Feixes de elétrons em microscópios poderosos sondaram materiais e nanoestruturas com resolução em escala atômica, criaram imagens dos arranjos atômicos e, em combinação com a teoria, revelaram propriedades eletrônicas e magnéticas. Desenvolvimentos recentes em microscopia permitem obter sinais diretos de fônons, ou seja, modos vibracionais, com alta resolução tanto no espaço quanto na energia. Os pesquisadores agora podem medir modos vibracionais distintos em interfaces em estruturas multicamadas, defeitos e outras heterogeneidades.

"Nossa equipe combinou essas medições com sondas a laser e investigações teóricas para obter uma imagem completa da física subjacente que, em última análise, formará a base de novas tecnologias", disse Pantelides.

Nesta pesquisa, publicada na revista Nature em 26 de janeiro, a equipe colocou em camadas dois óxidos diferentes em uma nanoestrutura do tipo Lego chamada superlattice. As estruturas foram fotografadas em escala atômica por Eric Hoglund, o primeiro autor do artigo e pesquisador da Universidade da Virgínia. Jordan A. Hachtel, ex-aluno de Pantelides e microscopista especialista no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do Laboratório Nacional de Oak Ridge, realizou as medições de precisão dos modos vibracionais dessas superredes complexas.

Caldwell, membro da Faculdade do Chanceler da Família Flowers em Engenharia e professor associado de engenharia mecânica, e seu aluno Joseph Matson realizaram espectroscopias infravermelhas complementares dos modos vibracionais. Pantelides, Distinguished Professor de Física e Engenharia da Universidade, William A. e Nancy F. McMinn Professor de física e professor de engenharia elétrica, e os membros de seu grupo Andrew O'Hara e De-Liang Bao, professor assistente de pesquisa e pesquisador de pós-doutorado, respectivamente, realizaram os cálculos teóricos que forneceram ligações entre diversos experimentos para construir um quadro abrangente. A pesquisa combinada estabeleceu que, à medida que a espessura das camadas nas super-redes encolhe, as vibrações atômicas são inicialmente dominadas pelas dos dois materiais a granel, mas gradualmente evoluem para serem dominadas pelas interfaces atômicas, que definem uma nova estrutura cristalina.

Combinações anteriores de cálculos teóricos usando mecânica quântica com experimentos físicos permitiram que físicos e engenheiros entendessem como os materiais se comportam. Tais investigações resultaram na criação e desenvolvimento dos dispositivos digitais que hoje tomamos como garantidos. Os microscópios eletrônicos desempenharam um papel importante nessas buscas, mas até recentemente, eles não tinham resolução suficiente para imagens de vibrações atômicas.

"Propriedades emergentes resultam em nanoescala, especialmente quando juntamos materiais. A partir dessas combinações, obtemos novos comportamentos que não esperávamos", disse Pantelides. "Sempre que há uma estrutura com novas propriedades, a mente da engenharia vai direto para pensar em quais novos materiais com novas funcionalidades e novos dispositivos podem ser feitos. Simplificando, é assim que a tecnologia é criada."

Caldwell e Matson têm investigado as propriedades infravermelhas de super-redes de escala atômica. "As propriedades infravermelhas dos cristais polares são impulsionadas principalmente pelos fônons ópticos dos materiais. Assim, este trabalho se baseia em um conceito que chamamos de híbrido cristalino, onde combinações de materiais atomicamente finos em super-redes podem ser usadas para induzir propriedades emergentes, ", disse Caldwell. Esse esforço foi significativamente aprimorado ao demonstrar que a escala dessas medições pode ser reduzida para medir o comportamento mais preciso capturado até o momento.

Este trabalho tem o potencial de melhorar o conhecimento em microscopia, ciência óptica, física e engenharia. "Alcançamos uma mudança radical nesta tecnologia. Ao melhorar a forma como medimos, podemos trabalhar e manipular melhor esses nanomateriais. Estamos muito mais confiantes de que podemos projetar estruturas com propriedades personalizadas", disse Pantelides.

Pantelides e Caldwell continuarão colaborando com o Oak Ridge National Laboratory para buscar mais avanços no campo, especialmente na expansão para diferentes estruturas cristalinas e outros sistemas de materiais de interesse, como semicondutores baseados em nitreto.

Pesquisadores da Universidade da Virgínia, do Sandia National Laboratory, da Universidade da Califórnia Berkeley, da Purdue University e da Humboldt University e do Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik na Alemanha participaram desta pesquisa. + Explorar mais

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