Más es menos: Los pulsos duales de luz minimizan la energía para efectuar transiciones de fase

11.04.2024

Visualización de un rayo láser fundiendo un cristal. Imagen: Allan Johnson.

• Investigadores liderados por Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) explican los mecanismos tras este fenómeno antintuitivo: hacer efectiva una transición de fase requiere menos energía si se inicia mediante dos pulsos de luz en lugar de uno solo.
• La energía necesaria para completar la transición de fase se ha reducido un 6%, y podría optimizarse aún más.
• Las transiciones de fase locales son relevantes para el control de materiales en muchos aspectos tecnológicos, incluyendo almacenamiento de datos y energía.

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Madrid, 11 de abril, 2024. Las transiciones de fase transforman físicamente las sustancias y cambian uniformemente sus propiedades. El ejemplo más típico es el agua hirviendo, que transforma el líquido en una fase gaseosa, lo que resulta en un cambio brusco de volumen. Existen otras transiciones de fase de gran relevancia tecnológica, como el almacenamiento de datos en discos compactos y Blu-ray. Durante un proceso de almacenamiento de datos de este tipo, los pulsos láser cambian la fase estructural del material de la superficie. Las marcas de grabación en los discos se crean fundiendo el material con un pulso de luz láser y luego enfriandolo rápidamente por debajo de su temperatura de cristalización. Mediante este proceso se ha cambiado la reflectividad de las áreas fundidas, que posteriormente serán leídas por un cabezal láser.

En los últimos años, la idea de utilizar no uno, sino múltiples pulsos láser para controlar las transiciones de fase ha captado la atención desde que los investigadores se dieron cuenta de que la luz podía impulsar las transiciones de forma coherente. Las transiciones de fase coherentes son interesantes porque cambian suavemente el material entre dos fases. Sin embargo, el control coherente requiere una conexión extremadamente suave entre las estructuras cristalinas de dos fases, y excluye muchas transiciones tecnológicamente relevantes, como las transiciones cristalinas a amorfas en vidrios de calcogenuro para el almacenamiento de datos.

Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Allan Johnson ha demostrado que una ruta alternativa para el control de materiales mejora la eficiencia energética de la transición de fase. El estudio se ha hecho sobre un material de referencia, el óxido de vanadio (VO₂). Han descubierto que la transición de fase entre las fases metálica y aislante de óxido de vanadio puede requerir menos energía cuando se activa por dos pulsos de luz, en lugar de un solo pulso.

El material estudiado, el óxido de vanadio, es un sistema prototípico para comprender las transiciones de fase en materiales cuánticos. Se encuentra entre los sistemas de ondas de densidad de carga (transformados por unos pocos modos, de longitud de onda larga y que muestran coherencia) y las transiciones de fase cristalina-amorfa (en este caso las distorsiones locales no correlacionadas impulsan la transición, mostrando desorden). A altas temperaturas, el óxido de vanadio se encuentra en una fase metálica (rutilo), pero por debajo de 60° se encuentra en una fase aislante (monoclínica). 

Normalmente, la excitación de la fase aislante con un pulso de luz empuja el cristal de dióxido de vanadio a la fase metálica. Allan Johnson y su equipo utilizaron una estrategia alternativa. Utilizaron un pulso débil para preparar un estado de vibración coherente, para excitar aún más la muestra con un segundo pulso de luz después de un pequeño retraso (en el rango de picosegundos). Para su sorpresa, descubrieron que el umbral de energía, en el que el material comienza a transformarse a la fase metálica, depende del retraso entre los dos pulsos y que la energía necesaria para completar la transición de fase se reduce en el esquema de doble pulso, en comparación con el esquema de pulso único.

Los resultados indican que el esquema de las excitaciones múltiples puede reducir la energía necesaria para impulsar la transición de fase en el óxido de vanadio hasta en un 6%. Cuando se le pregunta sobre el dato, el investigador Allan Johnson dice: "Puede que esto no parezca un gran ahorro de energía, pero el proceso aún debe optimizarse y, por el momento, no sabemos cuánto más se puede ganar. Además, este método se puede aplicar potencialmente a muchos materiales, y esto sí que es muy prometedor".

La característica más interesante de su descubrimiento es que el proceso podría transferirse fácilmente a los dispositivos existentes que ya funcionan con rayos láser pulsados ultrarrápidos: simplemente dividiendo el pulso en dos y retrasando el tiempo entre estos dos pulsos. Contrariamente a la limitada gama de materiales que muestran coherencia estructural, el mecanismo de desorden correlacionado puede, en principio, ser inducido en cualquier sólido. En consecuencia, la estrategia de siembra no homogénea de fluctuaciones podría ser aplicable a una amplia gama de sólidos, incluidos los utilizados en aplicaciones de almacenamiento de energía y datos.

El momento eureka para el Dr. Johnson fue cuando se dio cuenta de que sus datos -tomados en las instalaciones de rayos X durante 3 días y noches sin pausa- coincidían con los experimentos de su propio laboratorio. El equipo de investigación explica el mecanismo, que implica la formación de polarones, cuasipartículas que se forman en el material debido al acoplamiento de electrones sobrantes o huecos con vibraciones iónicas.

Mientras que otros científicos también han observado fenómenos similares en sus datos de laboratorio, los mecanismos detrás de estas observaciones seguían sin explicarse, hasta ahora. Allan Johnson y sus colaboradores han dilucidado los procesos subyacentes a esta transformación de fase, destacando la formación de polarones y su ordenamiento en direcciones específicas como un factor clave en la reducción de la penalización de energía a la fase metálica. Impulsar la transición de fase excitando este estado de movimiento desordenado se puede lograr con menos energía. Además, la reducción dinámica de la barrera significa que los científicos pueden reducir selectivamente la energía requerida para la transición de fase impulsada por láser sin aumentar la probabilidad de conmutación térmica, en contraste con otros métodos para mejorar la eficiencia.

Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics. Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de la ciencia fundamental, ofreciendo nuevas vías para el control preciso de materiales y la innovación tecnológica. A medida que el equipo continúa optimizando el método y explorando nuevos materiales, el potencial de avances transformadores en la ciencia de los materiales y el control óptico sigue siendo vigente.

Este trabajo es una colaboración entre investigadores de IMDEA Nanociencia, el Institut de Ciències Fotoniques (ICFO), el Institut de Physicque de Rennes (CNRS), el Institute of Chemical Research (ICIQ), el SLAC National Accelerator Laboratory (Stanford, EE.UU.) y el Pohang Accelerator Labortory (Corea). Las mediciones de rayos X se realizaron en el BL3 del SACLA (Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón). Ha sido cofinanciado por el sello de Excelencia Severo Ochoa otorgado a IMDEA Nanociencia en 2017 y renovado en 2021.

Referencia:

Allan S. Johnson et al. All- optical seeding of a light-induced phase transition with correlated disorder. Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02474-4

https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3601

Contacto:

Dr. Allan Johnson
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https://nanociencia.imdea.org/ultrafast-science-of-quantum-materials/home
Linkedin: https://www.linkedin.com/in/allan-johnson-232b4133/

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Fuente: IMDEA Nanociencia.