Las rayas se pueden encontrar en todas partes, desde las cebras que deambulan en la naturaleza hasta la última moda. En el mundo de la física microscópica, los electrones dentro de los llamados materiales cuánticos pueden formar patrones de rayas periódicas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Laboratorio de Berkeley ahora han desenredado la intrigante dinámica de cómo se funden y forman tales franjas de escala atómica, proporcionando conocimientos fundamentales que podrían ser útiles en el desarrollo de nuevos materiales energéticos.
En materiales cuánticos fuertemente correlacionados, las interacciones entre los electrones reinan de forma suprema. El acoplamiento complejo de estos electrones entre sí, y con los espines de electrones y las vibraciones de los cristales, da como resultado fases exóticas como el orden de carga o la superconductividad de alta temperatura.
"Un objetivo clave de la física de la materia condensada es comprender las fuerzas responsables de las fases complejas y las transiciones entre ellas", dijo Robert Kaindl, investigador principal y científico de planta de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. "Pero en el mundo microscópico,las interacciones suelen ser extremadamente rápidas. Si calentamos o enfriamos lentamente un material para cambiar su fase, podemos perder la acción subyacente ".
Kaindl y sus colegas han estado utilizando pulsos de láser ultrarrápidos para separar la dinámica microscópica de los materiales cuánticos correlacionados para acceder a las interacciones entre los electrones y con la red atómica del cristal en el dominio del tiempo.
Para este estudio, los investigadores trabajaron con niquelato de lantano, un material cuántico y un compuesto de rayas modelo. En particular, los investigadores investigaron las cargas electrónicas que forman el patrón de rayas y cómo se acoplan a la red cristalina.
La forma en que las cargas interactúan con el cristal es un ingrediente clave para la física de bandas, dijeron los investigadores.
"La red cristalina se distorsiona fuertemente alrededor de las franjas de carga", dijo Giacomo Coslovich, quien hizo el trabajo mientras era investigador postdoctoral en el Berkeley Lab. "Este cambio de la simetría cristalina da como resultado nuevas vibraciones en la red, que a su vez podemosdetectar con luz a frecuencias de terahercios. "
Kaindl y Coslovich son los autores correspondientes de un artículo que informa estos resultados en avances científicos .
En sus experimentos, el material se excita ópticamente mediante un pulso de láser de infrarrojo cercano con una duración de 50 femtosegundos y se sondea con un pulso de terahercios con retardo de tiempo variable. Un femtosegundo es una millonésima de una milmillonésima de segundo.
Los investigadores encontraron una dinámica inesperada al usar el láser para alterar el orden microscópico.
"Lo interesante es que mientras que el láser excitó inmediatamente los electrones, las distorsiones vibratorias en el cristal inicialmente permanecieron congeladas", dijo Coslovich, quien ahora es científico asociado del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC. "Las vibraciones de la fase de franjas solo desaparecierondespués de varios cientos a miles de femtosegundos. También llegamos a la conclusión de que la velocidad depende de la dirección de las interacciones ".
La interpretación de los experimentos fue apoyada por simulaciones de la dispersión de fonones por Alexander Kemper de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Los resultados proporcionan información importante sobre las interacciones, o "pegamento", que unen electrones a las vibraciones de la red en el niquelato de lantano. Sin embargo, su relevancia más amplia se deriva de observaciones recientes del orden de carga en superconductores de alta temperatura, materiales donde las corrientes eléctricaspuede fluir sin resistencia a temperaturas por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido. Si bien el mecanismo sigue siendo desconcertante, estudios recientes demostraron la capacidad de inducir superconductividad mediante la supresión de rayas con pulsos de luz cortos.
"Se cree que las rayas fluctuantes ocurren en superconductores no convencionales. Nuestro estudio pone un límite de velocidad a la rapidez con la que pueden cambiar estos patrones", dijo Kaindl. "Destaca la importancia de considerar la estructura espacial y temporal del pegamento".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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