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El desorden es clave en las transiciones de fase de los materiales

Cuando un material como el dióxido de vanadio cambia rapidísimamente de un estado aislante a otro conductor, la ruptura de los pares de iones se produce de forma muy desordenada, y no coordinada como se pensaba hasta ahora. El descubrimiento se ha realizado con el primer láser de rayos X del mundo y ofrece nuevas perspectivas en el campo de la superconductividad y el control de la materia, además de sugerir un cambio en las explicaciones sobre transiciones de fases en los libros de texto.

Los investigadores del ICFO Simon Wall y Luciana Vidas trabajan en la configuración experimental en su laboratorio. / ICFO

Las transiciones de fase son sucesos habituales que cambian radicalmente las propiedades de un material. Una de las más conocidas es la transición de sólido-líquido-gas del agua. Cada fase corresponde a un nuevo posicionamiento de los átomos dentro del material, que dictan las propiedades de la sustancia.

Si bien este cambio de posicionamiento se puede estudiar fácilmente en cada fase, es mucho más difícil hacerlo durante una transición de fase. Esto se debe a que los átomos son increíblemente pequeños y las distancias en las que se mueven son, en consecuencia, pequeñas y, como resultado, pueden ocurrir muy rápidamente. Además, los materiales constan de más de 1023 átomos, lo que hace que sea extremadamente difícil rastrear sus movimientos individuales.

En contraste con la opinión generalizada, se ha comprobado que la ruptura de los pares de vanadio durante la transición se hace de una manera extremadamente desordenada

Un cambio de fase particularmente interesante es la transición metal-aislante en el material dióxido de vanadio (VO2). A temperatura ambiente, es un aislante, y dentro del cristal, los iones de vanadio forman cadenas periódicas de pares de vanadio, conocidos como dímeros.

Pero cuando el material se calienta, justo por encima de la temperatura ambiente, la estructura atómica cambia y los pares se rompen, aunque el material permanece sólido. Al mismo tiempo, la conductividad del material aumenta en más de 5 órdenes de magnitud y le otorga una amplia gama de aplicaciones, entre ellas la detección de infrarrojos.

Una de las propiedades más intrigantes del VO2 es que la transición de fase puede ocurrir de manera increíblemente rápida, teniendo en cuenta que el único límite recae en cuán rápido se puede calentar el sistema. Para explicar esta increíble velocidad de transición, los científicos sugirieron que debe de haber un movimiento cooperativo entre los iones de vanadio, es decir, cada par de iones de vanadio se rompe de la misma manera al mismo tiempo.

A su vez, para entender la estructura atómica de los materiales, los científicos usan una técnica conocida como difracción. En los últimos 30 años, este método se ha ampliado para incluir la resolución temporal, con el objetivo de obtener la 'película molecular', es decir, filmar directamente el movimiento de los átomos durante la transición. Cuando esta técnica se aplicó por primera vez al dióxido de vanadio en 2007, pareció confirmar la imagen del movimiento coordinado.

Sin embargo, la difracción solo mide la posición atómica promedio y revela poca información sobre la trayectoria real tomada por los átomos individuales involucrados. Por ejemplo, el método de difracción vería de la misma manera a una banda musical marchando por una avenida, que se mueven de una manera uniforme y coordinada, como a un grupo de turistas cubriendo la misma distancia, en promedio, pero de una manera totalmente descoordinada, preguntándose y deteniéndose al azar para mirar la arquitectura de la ciudad.

Por primera vez se observa cómo los átomos se reorganizan en una transición de fase sin asumir que el movimiento es uniforme, lo que sugiere que habría que reescribir los libros de texto

Ahora tres investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona (el profesor Simon Wall, la estudiante de doctorado Luciana Vidas y el ex postdoc Timothy Miller), en colaboración con científicos del Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón, las universidades estadounidenses de Duke y Stanford y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, han utilizado una nueva técnica capaz de resolver las rutas atómicas.

Más parecido a turistas desorganizados que a una banda

También ha sido crucial para realizar el estudio, publicado en la revista Science, el primer láser de rayos X del mundo situado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EE UU). Esta nueva fuente de luz permitió a los investigadores examinar la estructura cristalina del material con unos detalles sin precedentes, utilizando una técnica conocida como dispersión total de rayos X. En contraste con la opinión generalizada, los autores encontraron que la ruptura de los pares de vanadio se hacía de una manera extremadamente desordenada y más parecida a los turistas que a la banda.

Como comenta Simon Wall, el primer autor del artículo: "Esta es la primera vez que realmente hemos podido observar cómo los átomos se reorganizan en una transición de fase sin asumir que el movimiento es uniforme. Esto sugiere que la comprensión sobre estas transiciones explicadas en los libros de texto debería ser reescrita. Ahora planeamos usar esta técnica para explorar más materiales y comprender hasta donde llega el papel que desempeña el desorden”.

Hasta la fecha, el VO2 se ha utilizado frecuentemente como una guía para comprender las fases en materiales más complejos como los superconductores de alta temperatura. Los resultados obtenidos de este estudio sugieren que estos materiales también deberían ser reexaminados. Además, comprender el rol del desorden en los materiales que vibran podría implicar una nueva perspectiva sobre cómo lograr controlar la materia, especialmente en el campo de la superconductividad, la cual podría tener importantes implicaciones para la nanotecnología y la optoelectrónica.

Ilustración esquemática de la estructura atómica del dióxido de vanadio. / Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Referencia bibliográfica :

Simon Wall, Shan Yang, Luciana Vidas, Matthieu Chollet, James M. Glownia, Michael Kozina, Tetsuo Katayama, Thomas Henighan, Mason Jiang, Timothy A. Miller, David A. Reis, Lynn A. Boatner, Olivier Delaire, Mariano Trigo. "Ultrafast disordering of vanadium dimers in photoexcited VO2Science". Science 362, Issue 6414, pp. 572-576, DOI: 10.1126/science.aau3873.

Fuente: ICFO
Derechos: Creative Commons
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