Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han realizado las primeras mediciones directas, y con mucho las más precisas, de cómo los electrones se mueven en sincronía con las vibraciones atómicas que se ondulan a través de un material exótico, como si estuvieran bailandoal mismo ritmo
Las vibraciones se llaman fonones, y el acoplamiento electrón-fonón que los investigadores midieron fue 10 veces más fuerte de lo que la teoría había predicho, lo que lo hace lo suficientemente fuerte como para desempeñar un papel potencial en la superconductividad no convencional, lo que permite que los materiales conduzcan electricidad sin pérdida entemperaturas inesperadamente altas.
Además, el enfoque que desarrollaron brinda a los científicos una forma completamente nueva y directa de estudiar una amplia gama de materiales "emergentes" cuyas sorprendentes propiedades surgen del comportamiento colectivo de partículas fundamentales, como los electrones. El nuevo enfoque investiga estos materiales a través deexperimentos solos, en lugar de depender de supuestos basados en la teoría.
Los experimentos se llevaron a cabo con el láser de electrones de rayos X de fuente libre de luz coherente Linac LCLS de SLAC y con una técnica llamada espectroscopía de fotoemisión de resolución angular ARPES en el campus de Stanford. Los investigadores describieron el estudio hoy en Science.
Un enfoque de 'avance'
"Creo que este resultado tendrá varios impactos", dijo Giulia Galli, profesora del Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y científica principal del Laboratorio Nacional Argonne del DOE que no participó en el estudio.
"Por supuesto, han aplicado el método a un material muy importante, uno que todos han estado tratando de descifrar y comprender, y esto es genial", dijo. "Pero el hecho de que demuestran que son capaces de medir elinteracción electrón-fonón, que es tan importante en tantos materiales y procesos físicos; esto, creo, es un avance que allanará el camino para muchos otros experimentos con muchos otros materiales ".
La capacidad de realizar esta medición, agregó, permitirá a los científicos validar teorías y cálculos que describen y predicen la física de estos materiales de una manera que nunca antes pudieron hacer.
"Estas mediciones de precisión nos darán una visión profunda de cómo se comportan estos materiales", dijo Zhi-Xun Shen, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES que dirigió el estudio.
'Películas' extraordinariamente precisas
El equipo usó el LCLS de SLAC para medir vibraciones atómicas y ARPES para medir la energía y el momento de los electrones en un material llamado selenuro de hierro. La combinación de las dos técnicas les permitió observar el acoplamiento electrón-fonón con una precisión extraordinaria, en una escala de tiempo de femtosegundos -- millonésimas de una billonésima de segundo - y dentro de aproximadamente una billonésima parte del ancho de un cabello humano.
"Pudimos hacer una 'película', usando el equivalente de dos cámaras para registrar las vibraciones atómicas y los movimientos de los electrones, y mostrar que se menean al mismo tiempo, como dos ondas estacionarias superpuestas entre sí", dijo co-autor Shuolong Yang, investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell.
"No es una película en el sentido ordinario de las imágenes que se pueden ver en una pantalla", dijo. "Pero captura los movimientos de fonones y electrones en cuadros capturados 100 billones de veces por segundo, y podemos encadenarlos100 de ellos juntos al igual que los fotogramas de películas para obtener una imagen completa de cómo están vinculados "
El seleniuro de hierro que estudiaron es un material curioso. Se sabe que conduce la electricidad sin pérdidas, pero solo a temperaturas extremadamente frías, y de una manera que no podría explicarse completamente por las teorías establecidas; es por eso que se llama un superconductor no convencional.
Persiguiendo una pista intrigante
Pero hace cinco años, un grupo de investigación en China informó una observación intrigante: cuando una capa atómicamente delgada de seleniuro de hierro se coloca encima de otro material llamado STO, llamado así por sus ingredientes primarios estroncio, titanio y oxígeno, su máximola temperatura superconductora salta de 8 grados a 60 grados por encima del cero absoluto, o menos 213 grados Celsius. Aunque todavía hace mucho frío, es una temperatura mucho más alta de lo que esperaban los científicos, y cae dentro del rango operativo de los llamados "superconductores de alta temperatura, "cuyo descubrimiento en 1986 desencadenó un frenesí de investigación debido al impacto revolucionario que estos transmisores eléctricos perfectamente eficientes podrían tener en la sociedad".
Siguiendo esta pista, el grupo de Shen examinó la misma combinación de materiales con ARPES. En un artículo de 2014 en Nature, concluyeron que las vibraciones atómicas en el STO viajan hacia el seleniuro de hierro y les dan a los electrones la energía adicional que necesitan para emparejarsey llevar electricidad con cero pérdidas a temperaturas más altas de lo que lo harían solos.
Esto sugirió que los científicos podrían alcanzar temperaturas máximas superconductoras incluso más altas cambiando varias variables, como la naturaleza del sustrato debajo de una película superconductora, todo al mismo tiempo.
¿Pero podría este acoplamiento de vibraciones atómicas y comportamiento colaborativo de los electrones también tener lugar en seleniuro de hierro solo, sin un impulso de un sustrato? Eso es lo que el estudio actual pretendía descubrir.
como tocar una campana con un martillo
El equipo de Shen hizo una película de seleniuro de hierro más gruesa y uniformemente atómica y la golpeó con luz láser infrarroja para excitar sus vibraciones atómicas de 5 trillones de veces por segundo, como golpear suavemente una campana con un pequeño martillo, el científico del personal de SLAC ydijo el coautor Patrick Kirchmann. Esto hizo que las vibraciones oscilaran en sincronía entre sí a lo largo de la película, para que pudieran observarse más fácilmente.
El equipo midió las vibraciones atómicas del material y el comportamiento de los electrones en dos experimentos separados. Yang, que era un estudiante graduado de Stanford en ese momento, dirigió la medición de ARPES. Simon Gerber, un investigador postdoctoral en el grupo de Shen, dirigió las mediciones de LCLS enSLAC; desde entonces se ha unido al SwissFEL en el Instituto Paul Scherrer en Suiza como científico del personal.
El nuevo estudio no prueba que el acoplamiento de vibraciones atómicas y electrónicas haya sido responsable de aumentar la temperatura superconductora de seleniuro de hierro en los estudios anteriores, dijo Kirchmann. Pero la combinación de láser de rayos X y observaciones ARPES debería proporcionar nuevas y más sofisticadasideas sobre la física de los sistemas materiales donde varios factores están en juego al mismo tiempo, y con suerte avanzar más rápido en el campo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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