A física surpresa no material isolante oferece caminho para uma tecnologia mais rápida
Mudança estrutural fotoinduzida e transição isolante-metal. um , Canto superior esquerdo, representação esquemática de um filme fino tensionado epitaxialmente (O, vermelho; Ca, verde; Ru, ciano; La, magenta e Al, cinza). Certo, transformação de fase estrutural de S-Pbca (sombreado) e L-Pbca (colori). Embaixo à esquerda, configuração eletrônica do Ru d orbitais em Ca2 RuO4 . b , Dinâmica fotoinduzida do pico 008 de Bragg de um Ca2 tenso RuO4 filme fino com fluência de bomba de 50 mJ cm
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. O pico muda para uma transferência de momento menor qz dentro de 3,3 ps, o que indica uma expansão da rede. As varreduras de linha mostram uma projeção em qz do volume do espaço recíproco 3D medido balançando o cristal. c , A mudança resolvida no tempo na intensidade de espalhamento normalizada (círculos pretos, fluência da bomba incidente 50 mJ cm
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) em um vetor de onda fixo, qz = 4,089 Å
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, aumenta em cerca de 2,5 ps e persiste por τ ≤ 100 ps. A refletividade de alta frequência resolvida no tempo (quadrados vermelhos, E = 1,55 eV, fluência da bomba incidente 0,14 mJ cm
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) aumenta rapidamente, dentro de 1 ps, mostra um pico coincidente com a expansão da rede e decai lentamente dentro de 100 ps. O sinal para a refletividade de baixa frequência resolvida no tempo (triângulos roxos, largura de banda terahertz de 0,8 a 10 meV, fluência da bomba incidente 15,1 mJ cm
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) aumenta em cerca de 8 ps e persiste por 100 ps. Os dados de raios X resolvidos no tempo e a refletividade de baixa frequência foram medidos após fotoexcitação (bomba) com um E = 1,55 eV laser de femtosegundo. A refletividade de alta frequência resolvida no tempo foi medida com um E = 1,64 eV laser de femtosegundo. A incerteza nos dados de raios X em c mostra o desvio padrão das intensidades medidas no estado fundamental para atrasos de tempo negativos. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1 Pesquisadores liderados por Cornell descobriram um fenômeno incomum em um material isolante metálico, fornecendo informações valiosas para o projeto de materiais com novas propriedades por meio de uma alternância mais rápida entre estados da matéria.
Os isoladores Mott são uma família de materiais com propriedades eletrônicas únicas, incluindo aqueles que podem ser manipulados por estímulos como a luz. A origem das propriedades únicas não é totalmente compreendida, em parte devido à tarefa desafiadora de criar imagens das nanoestruturas do material no espaço real e capturar como essas estruturas sofrem mudanças de fase em apenas um trilionésimo de segundo.
Um novo estudo publicado na Nature Physics desvendou a física do isolador Mott, Ca2 RuO4 , pois foi estimulado com laser. Com detalhes sem precedentes, os pesquisadores observaram interações entre os elétrons do material e a estrutura subjacente da rede, usando pulsos ultrarrápidos de raios X para capturar "instantâneos" de mudanças estruturais no Ca2 RuO4 dentro de picossegundos críticos após a excitação com o laser.
Os resultados foram inesperados – os rearranjos eletrônicos são genericamente mais rápidos que os de rede, mas o oposto foi observado no experimento.
"Normalmente, os elétrons rápidos respondem aos estímulos e arrastam os átomos mais lentos com eles", disse a autora principal Anita Verma, pós-doutoranda em ciência e engenharia de materiais. “O que descobrimos neste trabalho é incomum:os átomos responderam mais rápido que os elétrons”.
Embora os pesquisadores não tenham certeza de por que a rede atômica pode se mover tão rapidamente, uma hipótese é que a nanotextura do material lhe dá pontos de nucleação que ajudam a reorganizar a rede, semelhante à forma como o gelo super-resfriado começa a se formar mais rapidamente em torno de uma impureza na água.
A pesquisa se baseia em um artigo de 2023 no qual Andrej Singer, autor sênior e professor assistente em ciência e engenharia de materiais, e outros cientistas usaram raios X de alta potência, algoritmos de recuperação de fase e aprendizado de máquina para obter uma visualização do espaço real do mesmo material em nanoescala.
"A combinação dos dois experimentos nos deu a ideia de que em alguns materiais como este, podemos mudar de fase muito rapidamente - na ordem de 100 vezes mais rápido do que em outros materiais que não possuem essa textura", disse Singer. "Estamos esperançosos de que este efeito seja um caminho geral para acelerar a mudança e resultar em algumas aplicações interessantes no futuro."
Singer disse que em alguns isoladores Mott, as aplicações incluem o desenvolvimento de materiais que são transparentes em seu estado isolante e que rapidamente se tornam opacos quando excitados em seu estado metálico. A física subjacente também pode ter implicações para a eletrônica futura e mais rápida.
O grupo de pesquisa de Singer planeja continuar usando as mesmas técnicas de imagem para investigar novas fases da matéria que são criadas quando filmes finos nanotexturizados são excitados com estímulos externos.
Mais informações: Anita Verma et al, A expansão de volume em picossegundos conduz uma transição posterior entre isolante e metal em um isolador Mott nanotexturizado, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1 Informações do diário: Física da Natureza
