Fases ocultas de magnetita reveladas por láser

Los investigadores manipularon con éxito las propiedades estructurales de la magnetita mediante transiciones de fase inducidas por la luz.

Esta técnica reveló fases ocultas de la magnetita, allanando el camino para nuevos métodos de procesamiento del material en electrónica.

Avance en la investigación de la transición de fase de la magnetita

«Hace un tiempo, Muéstranos «Es posible inducir una transformación de fase reversible en la magnetita», afirma el físico Fabrizio Carbone de la EPFL. “Es como si tomaras agua y pudieras convertirla en hielo poniéndole energía con un láser. Esto es contradictorio, como suele ocurrir cuando congelas agua y la enfrías, es decir, le quitas energía.

Ahora, Carbone ha dirigido un proyecto de investigación para dilucidar y controlar las propiedades microestructurales de la magnetita durante dichas transiciones de fase inducidas por la luz. El estudio descubrió que al utilizar longitudes de onda de luz específicas para la fotoexcitación, el sistema puede empujar la magnetita a estados metaestables de no equilibrio (“cuasi estable” significa que el estado puede cambiar bajo ciertas condiciones) llamados “fases ocultas”, revelando así un nuevo protocolo. Manipular las propiedades de los materiales en escalas de tiempo ultrarrápidas. Los hallazgos que podrían impactar el futuro de la electrónica se han publicado en Con personas.

Exploración de estados de desequilibrio en magnetita.

¿Qué son los “estados de desequilibrio”? Un «estado de equilibrio» es esencialmente un estado estable en el que las propiedades de la materia no cambian con el tiempo debido a un equilibrio de fuerzas dentro de ella. Cuando esto está desequilibrado, se dice que la materia (el «sistema», para ser precisos en términos de física) entra en un estado de desequilibrio, exhibiendo propiedades que pueden rayar en lo extraño e inesperado.

Las «fases ocultas» de la magnetita

Una transición de fase es un cambio en el estado de una sustancia debido a cambios de temperatura, presión u otras condiciones externas. Un ejemplo cotidiano de esto es el agua que cambia de hielo sólido a líquido o de líquido a gas cuando hierve.

Las transiciones de fase en los materiales suelen seguir caminos predecibles en condiciones de equilibrio. Pero cuando las sustancias se desequilibran, pueden comenzar a exhibir las llamadas “fases ocultas”, estados intermedios que normalmente son inaccesibles. Monitorear fases ocultas requiere técnicas avanzadas que puedan capturar cambios rápidos y sutiles en la estructura de un material.

Magnetita (Fe₃Ey₄) es un material bien estudiado conocido por su espectacular transición de metálico a aislante a bajas temperaturas: desde ser capaz de conducir electricidad hasta bloquearla eficazmente. Esto se conoce como transición de Ferroy y cambia drásticamente las propiedades electrónicas y estructurales de la magnetita.

Gracias a su compleja interacción de estructura cristalina, carga y órdenes orbitales, la magnetita puede sufrir una transición aislante metálica a aproximadamente 125 K.

Láseres ultrarrápidos catalizan transformaciones sutiles en magnetita

«Para comprender mejor este fenómeno, hicimos este experimento en el que observamos directamente los movimientos atómicos que ocurren durante esta transformación», dice Carbone. «Descubrimos que la excitación láser lleva el sólido a diferentes fases que no existen en condiciones de equilibrio».

Los experimentos utilizaron dos longitudes de onda de luz diferentes: el infrarrojo cercano (800 nm) y el visible (400 nm). Cuando se estimuló con pulsos de luz de 800 nm, la estructura de la magnetita se alteró, creando una mezcla de regiones metálicas y aislantes. Por el contrario, los pulsos de luz de 400 nm hicieron de la magnetita un aislante más estable.

Para monitorear los cambios estructurales en la magnetita causados ​​por pulsos láser, los investigadores utilizaron difracción de electrones ultrarrápida, una técnica que puede «ver» los movimientos de los átomos en materiales en escalas de tiempo de menos de un picosegundo (un picosegundo es una billonésima de segundo).

Esta técnica permitió a los científicos observar cómo las diferentes longitudes de onda de la luz láser afectan la estructura de la magnetita a nivel atómico.

La estructura cristalina de la magnetita es lo que se conoce como una “red monoclínica”, donde la celda unitaria tiene forma de caja sesgada, con tres bordes desiguales, dos de los cuales están a 90 grados y el tercero es diferente.

Cuando se iluminó la magnetita con una luz de 800 nm, se comprimió rápidamente la red monoclínica de la magnetita, transformándola en una estructura cúbica. Esto ocurre en tres fases de más de 50 picosegundos e indica la presencia de interacciones dinámicas complejas que ocurren dentro del material. Por el contrario, la luz visible de 400 nm hizo que la red se expandiera, reforzando la red monoclínica y creando una fase más organizada: un aislante estable.

Efectos fundamentales y aplicaciones tecnológicas.

El estudio revela que las propiedades electrónicas de la magnetita se pueden controlar mediante el uso selectivo de diferentes longitudes de onda de luz. Comprender estas transiciones inducidas por la luz proporciona información valiosa sobre la física fundamental de los sistemas fuertemente acoplados.

“Nuestro estudio abre las bases para un nuevo enfoque para controlar la materia en una escala de tiempo ultrarrápida utilizando instrumentos dedicados. Fotón «pulsos», escriben los investigadores. La capacidad de inducir y controlar fases ocultas en la magnetita podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de materiales y dispositivos avanzados. Por ejemplo, los materiales que pueden cambiar entre diferentes estados electrónicos de manera rápida y eficiente podrían usarse en el futuro. dispositivos informáticos y de memoria de nueva generación.

Referencia: “Generación ultrarrápida de fases ocultas mediante excitación fotoelectrónica de energía sintonizable en magnetita” por B. Truc, P. Usai, F. Pennacchio, G. Berruto, R. Claude, I. Madan, V. Sala, T. LaGrange, G. M. Vanacore, S. Benhabib y F. Carbone, 20 de junio de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2316438121