¿Más pequeño, más rápido, más complejo? Observando una transición de fase con ojos radiográficos
18.09.2023
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Imagen: Pixabay. |
El vapor que se condensa en el espejo después de una ducha, el hierro fundido que se enfría como barras sólidas y los diamantes que se forman bajo una presión intensa: todos estos son ejemplos de transiciones de fase, cuando un material cambia de un estado a otro. Mientras que las transiciones de fase se definen por su naturaleza macroscópica, siempre comienzan con un rápido salto en la nanoescala de una fase a otra que pone en marcha el proceso. Como parte clave de la fabricación de materiales, comprender y manipular las transiciones de fase es un aspecto fundamental de la ciencia de los materiales y subyace a la economía moderna, por lo que observar este salto inicial de fase ha sido un objetivo largamente buscado.
En los últimos años, el uso de la luz para desencadenar transiciones de fase se ha vuelto un reto popular. Al proporcionar un "pistoletazo de salida" preciso para la transición, podemos rastrear cómo proceden los cambios en tiempo real. Aún más emocionante, rápidamente se comprendió que dentro de materiales "cuánticos" complejos (donde las interacciones entre diferentes electrones, núcleos y espines son clave), los pulsos láser ultrarrápidos pueden crear fases completamente nuevas. Pero esta capacidad de rastrear transiciones en el transcurso de una millonésima de mil millonésima de segundo tiene un precio: perder la resolución espacial necesaria para ver las regiones a nanoescala que cambian y comenzar todo el proceso. Este es un problema importante, ya que la llamada "coexistencia de fases" en la nanoescala puede dictar cómo se transforma un sistema, e incluso ayudar a estabilizar fases normalmente inestables.
La combinación de una resolución temporal y espacial tan extrema deja fuera el uso de métodos convencionales para grabarlo, por lo que nosotros los investigadores recurrimos a una tecnología emergente: los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL), enormes máquinas de cientos de metros de largo capaces de producir pulsos de rayos X ultrarrápidos. Los rayos X son bien conocidos por su capacidad para ver objetos pequeños, pero la óptica utilizada en los microscopios de rayos X convencionales es compleja, costosa y debe estar tan cerca de la muestra que nuestros pulsos de láser los dañarían. En su lugar, combinamos XFEL con otra nueva tecnología, la imagen difractiva coherente (CDI). En lugar de usar una lente para recoger luz y crear una imagen, capturamos directamente la luz dispersa de la muestra. Luego, reemplazamos la lente con algoritmos avanzados en una computadora, invirtiendo el patrón de dispersión para devolver una imagen con resolución nanométrica. Hace unos años, demostramos que CDI podía tomar fotografías de la coexistencia estática de fases, así que con estas dos piezas clave en su lugar estábamos ya listos para grabar películas.
“El punto más importante es que ahora tenemos las herramientas para buscar los inicios ultrarrápidos y a nanoescala de las transiciones de fase”.
Decidimos comenzar con imágenes del material cuántico dióxido de vanadio (VO2). El VO2 sufre una transición de fase sólido-sólido de aislante a metálico cuando se calienta por encima de 60 ° C. Sin embargo, lo que hace que el VO2 sea particularmente interesante es que tiene una segunda fase especial inducida mediante la luz, pero solo para pequeñas regiones a la nanoescala, y solo por milmillonésimas de segundo. Entonces, cuando filmamos nuestro VO2 y comenzamos a recuperar el video, esperábamos ver que las regiones aislantes comenzaran a cambiar en pequeños parches de metal normal y segunda fase especial, que luego crecerían hasta que se transformara toda la muestra. Lo que vimos en su lugar fue sorprendente pero también simple: en lugar de un mosaico de tres fases, ¡toda la muestra cambió al metal normal en el primer fotograma!
A partir de ahí, también vimos cambios más lentos, como los que se pensaba que provenían del crecimiento de fase o la segunda fase especial, pero estos cambios fueron completamente uniformes, sin ningún patrón a nanoescala. Esto nos dejó rascándonos la cabeza al principio, pero pronto nos dimos cuenta de que estaba relacionado con un hecho que a menudo ignoramos cuando estudiamos las transiciones de fase ultrarrápidas: la expansión del volumen. Cuando el VO2 pasa de aislante a metal, su estructura cristalina y volumen también cambian. Este cambio de volumen lleva un tiempo, aproximadamente mil veces más lento que el interruptor de fase, por lo que cuando activamos el sistema con luz, en realidad está extremadamente comprimido al principio, como si estuviera enterrado bajo cien kilómetros de roca. Sin la capacidad de ver a nanoescala, esta expansión de volumen puede confundirse fácilmente con una dinámica de fase más complicada y espacialmente dependiente.
Debido a que casi todas las transiciones de fase vienen con un cambio en el volumen, esperamos que esto sea importante en otras transiciones inducidas por la luz. Pero el punto más importante es que ahora tenemos las herramientas para realmente buscar los inicios ultrarrápidos y a nanoescala de las transiciones de fase, y ahora se está investigando la compleja dinámica a nanoescala que sabemos que debe estar ahí fuera. Las imágenes coherentes con XFEL también tendrán aplicaciones fuera del estudio de las transiciones de fase: observar la catálisis, la administración de nanomedicina y la plasmónica son solo algunos ejemplos que esperamos buscar a continuación.
Referencia
Johnson, A.S., Perez-Salinas, D., Siddiqui, K.M. et al. Ultrafast X-ray imaging of the light-induced phase transition in VO2. Nat. Phys. 19, 215–220 (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01848-w
Contacto
Dr. Allan Johnson
Grupo de investigación 'Ultrafast Science of Quantum Materials'
allan.johnson[at]imdea.org
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Fuente: https://www.thesciencebreaker.org/breaks/maths-physics-chemistry/smaller-faster-more-complex-watching-a-phase-transition-with-x-ray-eyes