Físicos crean'supercristales' estables

La estimulación con pulsos de luz ultrarrápidos puede realizar y manipular estados de la materia con fenómenos estructurales, electrónicos y magnéticos emergentes. Según un nuevo estudio, publicado en la revista Nature Materials, un pulso de láser ultrarrápido y la "frustración" resultaron en un nuevo estado de la materia, un "supercristal". Una imagen 3D de un supercristal de simulaciones de campo de fase. Fotografía: L-Q Chen Group, Penn State. "Estamos buscando estados ocultos de la materia al sacar el asunto de su estado cómodo, que llamamos estado de base", dijo la profesora Venkatraman Gopalan, de la Universidad Estatal de Pensilvania, coautora del estudio. "Hacemos esto excitando los electrones a un estado superior usando un fotón, y luego observando como el material vuelve a caer a su estado normal. La idea es que en el estado de excitación, o en un estado por el que pasa en un abrir y cerrar de ojos en el camino hacia el estado de tierra, encontraremos propiedades que desearíamos tener, tales como nuevas formas de estados polares, magnéticos y electrónicos". La determinación de estos estados se realiza mediante una técnica de sondas de bombeo cuando un láser dispara un fotón a la muestra durante 100 femtosegundos a una longitud de onda de 400 nm (luz azul). La luz de la bomba excita los electrones a un estado de energía más alto y es seguida rápidamente por una luz de sonda, que es un pulso de luz más suave que lee el estado del material. El desafío para el profesor Gopalan y los coautores era encontrar una manera de mantener el estado intermedio de la materia, porque el estado puede existir sólo por una pequeña fracción de segundo y luego desaparecer.

 Sin embargo, los investigadores descubrieron que, a temperatura ambiente, el supercristal está atascado en ese estado esencialmente para siempre. Ellos lograron esto al'frustrar' el sistema - no permitiendo que el material haga lo que quiere hacer, lo cual es permitirle minimizar su energía completamente sin restricciones. Los científicos hicieron esto usando capas atómicas únicas de dos materiales, titanato de plomo y titanato de estroncio, apiladas en capas alternas una encima de la otra para construir una estructura tridimensional.

 El titanato de plomo es un material ferroeléctrico, un material polar que tiene polarización eléctrica que conduce a polos eléctricos positivos y negativos en el material. El titanato de estroncio no es un material ferroeléctrico. Este desajuste forzó a los vectores de polarización eléctrica a tomar un camino antinatural, doblando hacia atrás sobre sí mismos para hacer vórtices, como el agua arremolinándose por un desagüe.

El equipo cultivó estas capas sobre un sustrato de cristal cuyos cristales eran de tamaño intermedio entre las dos capas de materiales. Esto proporcionó un segundo nivel de frustración, ya que la capa de titanato de estroncio trató de estirarse para ajustarse a la estructura cristalina del sustrato, y el titanato de plomo tuvo que comprimirse para ajustarse a ella.

Esto puso a todo el sistema en un estado delicado pero frustrado con múltiples fases distribuidas aleatoriamente en el volumen. En este punto, los investigadores electrocutaron el material con un pulso de láser, el cual descarga cargas libres en el material, agregando energía eléctrica extra al sistema, conduciéndolo a un supercristal. Estos supercristales tienen una célula unitaria - la unidad de repetición más simple en un cristal - mucho más grande que cualquier cristal inorgánico ordinario, con un volumen un millón de veces mayor que las células unitarias de los dos materiales originales. El material encuentra este estado por sí solo.

A diferencia de los estados transitorios, este estado supercristalino permanece potencialmente para siempre a temperatura ambiente - al menos un año en este estudio - a menos que se caliente a unos 350 grados Fahrenheit (177 grados Celsius) donde se borra. El proceso puede repetirse golpeando el material con un pulso de luz y borrándolo con calor. Este estado sólo puede ser creado por pulsos láser ultracortos con una cierta cantidad mínima de energía de umbral, y no mediante la distribución de esa energía en pulsos largos. Los científicos también utilizaron difracción de rayos X de alta energía para examinar el supercristal antes y después de que se forme, mostrando claramente la transformación de la materia desordenada en un supercristo.