De difícil a maleable, de transparente a opaco, de canalizar electricidad a bloquearlo: los materiales vienen en todo tipo. Varias de sus propiedades intrigantes se originan en la forma en que los electrones de un material "bailan" con su red de núcleos atómicos, que estambién en constante movimiento debido a vibraciones conocidas como fonones.
Este acoplamiento entre electrones y fonones determina cuán eficientemente las células solares convierten la luz solar en electricidad. También juega un papel clave en los superconductores que transfieren electricidad sin pérdidas, aisladores topológicos que conducen la electricidad solo en sus superficies, materiales que cambian drásticamente su resistencia eléctrica cuando están expuestosa un campo magnético y más
En el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los científicos pueden estudiar estos movimientos acoplados con un detalle sin precedentes con el láser de rayos X más potente del mundo, la Fuente de Luz Coherente Linac LCLS. LCLS es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Ha sido un objetivo de larga data comprender, iniciar y controlar estos comportamientos inusuales", dice Mike Dunne, director de LCLS. "Con LCLS ahora podemos ver lo que sucede en estos materiales y modelar interacciones complejas de electrón-fonón. Esta capacidad es fundamental para la misión del laboratorio de desarrollar nuevos materiales para la electrónica de próxima generación y soluciones de energía ".
LCLS funciona como una luz estroboscópica extraordinaria: sus rayos X ultrabrillantes toman instantáneas de materiales con resolución atómica y capturan movimientos tan rápido como unos pocos femtosegundos, o millonésimas de una billonésima de segundo. En comparación, un femtosegundo es un segundoqué siete minutos son para la edad del universo.
Dos estudios recientes hicieron uso de estas capacidades para estudiar las interacciones electrón-fonón en el telururo de plomo, un material que sobresale en la conversión de calor en electricidad y cromo, que a bajas temperaturas tiene propiedades peculiares similares a las de los superconductores de alta temperatura.
Convertir el calor en electricidad y viceversa
El telururo de plomo, un compuesto de los elementos químicos plomo y teluro, es interesante porque es un buen termoeléctrico: genera un voltaje eléctrico cuando dos lados opuestos del material tienen temperaturas diferentes.
"Esta propiedad se utiliza para impulsar misiones espaciales de la NASA como el rover Mars Curiosity y para convertir el calor residual en electricidad en automóviles de alta gama", dice Mariano Trigo, científico del personal en el Stanford PULSE Institute y el Stanford Institute for Materials yEnergy Sciences SIMES, ambos institutos conjuntos de la Universidad de Stanford y SLAC. "El efecto también funciona en la dirección opuesta: un voltaje eléctrico aplicado a través del material crea una diferencia de temperatura, que puede explotarse en dispositivos de enfriamiento termoeléctrico".
Mason Jiang, un estudiante recién graduado en Stanford, PULSE y SIMES, dice: "El telururo de plomo es excepcionalmente bueno en esto. Tiene dos cualidades importantes: es un mal conductor térmico, por lo que evita que el calor fluya de un lado alotro, y también es un buen conductor eléctrico, por lo que puede convertir la diferencia de temperatura en una corriente eléctrica. El acoplamiento entre las vibraciones de la red, causadas por el calor y los movimientos de los electrones, es muy importante en este sistema. Con nuestro estudio en LCLS,quería entender lo que ocurre naturalmente en este material "
En su experimento, los investigadores excitaron electrones en una muestra de teluro de plomo con un breve pulso de luz láser infrarroja, y luego usaron los rayos X de LCLS para determinar cómo esta explosión de energía estimulaba las vibraciones reticulares.
"El telururo de plomo se encuentra en el precipicio de una transformación electrónica y estructural acoplada", dice el investigador principal David Reis de PULSE, SIMES y Stanford. "Tiene una tendencia a distorsionarse sin transformarse completamente, una inestabilidad que se cree que juega un papel importante".papel importante en su comportamiento termoeléctrico. Con nuestro método podemos estudiar las fuerzas involucradas y verlas literalmente cambiar en respuesta al pulso láser infrarrojo ".
Los científicos descubrieron que el pulso de luz excita estados electrónicos particulares que son responsables de esta inestabilidad a través del acoplamiento electrón-fonón. Los electrones excitados estabilizan el material al debilitar ciertas fuerzas de largo alcance que anteriormente estaban asociadas con la baja conductividad térmica del material.
"El pulso de luz en realidad hace que el material retroceda desde el borde de la inestabilidad, lo que lo convierte en una termoeléctrica peor", dice Reis. "Esto implica que lo contrario también es cierto: que fuerzas más fuertes de largo alcance conducen a un mejor comportamiento termoeléctrico."
Los investigadores esperan sus resultados, publicado el 22 de julio en Comunicaciones de la naturaleza , los ayudará a encontrar otros materiales termoeléctricos que sean más abundantes y menos tóxicos que el telururo de plomo.
Control de materiales mediante la estimulación de ondas cargadas
El segundo estudio examinó las ondas de densidad de carga, áreas alternas de alta y baja densidad de electrones a través de la red nuclear, que se producen en materiales que cambian abruptamente su comportamiento en cierto umbral. Esto incluye transiciones de aislador a conductor, conductor normalal superconductor, y de un estado magnético a otro.
Estas olas en realidad no viajan a través del material; son estacionarias, como olas heladas cerca de la costa de un lago congelado.
"Se han observado ondas de densidad de carga en varios materiales interesantes, y establecer su conexión con las propiedades del material es un tema de investigación muy candente", dice Andrej Singer, becario postdoctoral en el laboratorio de Oleg Shpyrko en la Universidad de California, San Diego"Ahora hemos demostrado que hay una manera de mejorar las ondas de densidad de carga en cristales de cromo utilizando luz láser, y este método también podría usarse para modificar las propiedades de otros materiales".
Esto podría significar, por ejemplo, que los científicos podrían cambiar un material de un conductor normal a un superconductor con un solo destello de luz. Singer y sus colegas informaron sus resultados el 25 de julio Cartas de revisión física .
El equipo de investigación usó el cromo del elemento químico como un sistema modelo simple para estudiar las ondas de densidad de carga, que se forman cuando el cristal se enfría a aproximadamente menos 280 grados Fahrenheit. Estimularon el cristal frío con pulsos de luz láser óptica y luego usaron LCLSPulsos de rayos X para observar cómo esta estimulación cambió la amplitud o altura de las ondas de densidad de carga.
"Encontramos que la amplitud aumentó hasta en un 30 por ciento inmediatamente después del pulso láser", dice Singer. "La amplitud oscilaba, volviéndose más y más grande durante un período de 450 femtosegundos, y continuó cuando seguimos golpeando elmuestra con pulsos láser. LCLS ofrece oportunidades únicas para estudiar dicho proceso porque nos permite tomar películas ultrarrápidas de los cambios estructurales relacionados en la red ".
Con base en sus resultados, los investigadores sugirieron un mecanismo para la mejora de la amplitud: el pulso de luz interrumpe las interacciones electrón-fonón en el material, haciendo que la red vibre. Poco después del pulso, estas interacciones se forman nuevamente, lo que aumenta la amplitudde las vibraciones, como un péndulo que se balancea más hacia afuera cuando recibe un empuje adicional.
Un futuro brillante para los estudios de la danza de electrones y fonones
Estudios como estos tienen una alta prioridad en la física de estado sólido y la ciencia de los materiales porque podrían allanar el camino para nuevos materiales y proporcionar nuevas formas de controlar las propiedades de los materiales.
Con sus 120 pulsos de rayos X ultrabrillantes por segundo, LCLS revela la danza del electrón-fonón con detalles sin precedentes. Más avances en el campo están en el horizonte con LCLS-II, un láser de rayos X de próxima generación en construcción enSLAC que disparará hasta un millón de rayos X por segundo y será 10,000 veces más brillante que LCLS.
"LCLS-II aumentará drásticamente nuestras posibilidades de capturar estos procesos", dice Dunne. "Dado que también revelará señales sutiles de electrón-fonón con una resolución mucho mayor, podremos estudiar estas interacciones con mucho mayor detalle queahora podemos "
Otras instituciones de investigación involucradas en los estudios fueron University College Cork, Irlanda; Imperial College London, Reino Unido; Duke University; Oak Ridge National Laboratory; RIKEN Spring-8 Center, Japón; Universidad de Tokio, Japón; Universidad de Michigan; y Universidadde Kiel, Alemania. Las fuentes de financiación incluyeron DOE Office of Science; Science Foundation Ireland; Volkswagen Foundation, Germany; y Federal Ministry of Education and Research, Germany. Se realizaron estudios preliminares de rayos X sobre telururo de plomo en la fuente de luz de radiación de sincrotrón Stanford de SLAC SSRL, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE y en el Spring-8 Angstrom Compact Free-electron Laser SACLA, Japón.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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