Tranziția de fază ciudată a dioxidului de vanadiu tocmai a devenit mai ciudată

Pentru prima dată, cercetătorii au obținut o imagine detaliată a modului în care atomii dintr-un compus numit dioxid de vanadiu se mișcă atunci când un impuls laser ultrarapid transformă materialul dintr-un izolator electric într-un conductor – și nu este nimic așa cum se așteptau oamenii de știință.

În loc să treacă de la o formațiune de cristal la alta într-o manieră directă, sincronizată, precum balerinele coregrafiate, atomii se schimbă într-o manieră dezordonată, mai degrabă ca niște petrecăreți stângaci care fac Slide Cha Cha. Această nouă perspectivă asupra funcționării interioare a dioxidului de vanadiu, raportată în 2 noiembrie Ştiinţăpoate informa inginerii care încearcă să valorifice natura duală a compusului și altele asemenea pentru noile tehnologii.

Oamenii de știință au fost fascinați de zeci de ani de natura tranziției izolatorului la metal a dioxidului de vanadiu, care se întâmplă atunci când materialul este încălzit peste aproximativ 67° Celsius sau lovit cu un impuls laser ultrarapid. Dar acea inversare electrică este dificil de studiat, deoarece se întâmplă în aproximativ 150 de femtosecunde, sau cvadrilioane de secundă.

Alte experimente care au implicat gâdilarea atomilor dioxidului de vanadiu cu lumină laser au măsurat doar mișcările medii ale atomilor în timpul acestei transformări. Aceste tendințe generale au sugerat o trecere lină de la o formațiune de cristal la alta, dar nu au fost suficient de detaliate pentru a dezvălui mici abateri în mișcarea atomilor.

Mariano Trigo, un fizician la SLAC National Accelerator Laboratory din Menlo Park, California, și colegii sai au observat mai atent compusul folosind impulsuri ultrascurte de radiații X. După ce au lovit o probă de dioxid de vanadiu cu un fulger ultrarapid de lumină laser pentru a declanșa tranziția sa de la izolator la metal, cercetătorii au spart compusul cu o serie de impulsuri de raze X, fiecare lung de câteva zeci de femtosecunde.

Această radiație de raze X a împrăștiat atomii din material, dezvăluind pozițiile particulelor la momentul fiecărui puls, explică coautorul studiului Olivier Delaire, om de știință în materiale la Universitatea Duke. Pulsurile au fost atât de rapide și intense încât au urmărit mișcările atomilor mult mai precis și la intervale de timp mai scurte decât alte experimente.

„Este extrem de mișto” să vezi aceste mișcări atomice în detalii atât de fine, spune Ralph Ernstorfer, un fizician la Institutul Fritz Haber al Societății Max Planck din Berlin, care nu este implicat în studiu.

Aceste instantanee atomice au expus mișcarea dezordonată a atomilor de vanadiu de la o structură cristalină la alta. Simulările pe supercomputer ale atomilor de vanadiu care se reînnoiesc în acest fel au reprodus aproape aceleași modele de împrăștiere a razelor X ca și experimentul.

Tranziția ultrarapidă de la izolator la metal a dioxidului de vanadiu poate forma într-o zi baza unor componente electronice super rapide sau dispozitive care exploatează relația ciudată a dioxidului de vanadiu cu lumina și electricitatea pentru camuflare sau încălzire și răcire eficientă (SN Online: 25/10/13). Înțelegerea structurii interne a acestui material ar putea ajuta inginerii să obțină un control mai bun asupra proprietăților sale, spune Richard Averitt, un fizician la Universitatea din California, San Diego, care nu este implicat în lucrare.

Tehnica folosită de echipa lui Trigo pentru a investiga dioxidul de vanadiu poate ajuta, de asemenea, cercetătorii să cerceteze alte materiale care modifică caracteristicile sub influența luminii laser, spune Averitt. Acestea pot include materiale care schimbă proprietățile magnetice sau devin supraconductori care transmit electricitate fără rezistență. „Are un viitor foarte luminos” pentru a dezvălui evenimentele atomice în astfel de materiale cu două fețe, spune el.