Os físicos descobriram como controlar as propriedades estruturais da magnetita através de transições de fase induzidas pela luz, revelando fases ocultas e oferecendo um novo método para manipular materiais em escalas de tempo ultrarrápidas. Suas descobertas sugerem impactos potenciais no futuro da eletrônica, pois demonstram como comprimentos de onda de luz específicos podem alterar seletivamente os estados eletrônicos da magnetita. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores manipularam com sucesso as propriedades estruturais da magnetita usando transições de fase induzidas pela luz.
Esta técnica descobriu fases ocultas da magnetita, abrindo caminho para novas abordagens para a manipulação de materiais na eletrônica.
Avanço na pesquisa de transição de fase de magnetita
“Algum tempo atrás, nós mostramos que é possível induzir uma transição de fase inversa na magnetita”, diz o físico Fabrizio Carbone, da EPFL. “É como se você pegasse água e pudesse transformá-la em gelo, colocando energia nela com um laser. Isso é contra-intuitivo, pois normalmente para congelar a água você a resfria, ou seja, remove energia dela.”
Agora, Carbone liderou um projeto de pesquisa para elucidar e controlar as propriedades estruturais microscópicas da magnetita durante essas transições de fase induzidas pela luz. O estudo descobriu que, usando comprimentos de onda de luz específicos para fotoexcitação, o sistema pode levar a magnetita a estados metaestáveis de não equilíbrio distintos (“metaestável” significa que o estado pode mudar sob certas condições) chamados “fases ocultas”, revelando assim um novo protocolo para manipular material. propriedades em escalas de tempo ultrarrápidas. As descobertas, que podem impactar o futuro da eletrônica, são publicadas em PNAS.
Explorando estados de não equilíbrio na magnetita
O que são “estados de não equilíbrio?” Um “estado de equilíbrio” é basicamente um estado estável onde as propriedades de um material não mudam ao longo do tempo porque as forças dentro dele estão equilibradas. Quando isto é interrompido, diz-se que o material (o “sistema”, para ser preciso em termos de física) entra num estado de não equilíbrio, exibindo propriedades que podem beirar o exótico e o imprevisível.
As “fases ocultas” da magnetita
Uma transição de fase é uma mudança no estado de um material devido a mudanças de temperatura, pressão ou outras condições externas. Um exemplo cotidiano é a água que passa de gelo sólido para líquido ou de líquido para gasoso quando ferve.
As transições de fase em materiais geralmente seguem caminhos previsíveis sob condições de equilíbrio. Mas quando os materiais são desequilibrados, podem começar a apresentar as chamadas “fases ocultas” – estados intermédios que normalmente não são acessíveis. A observação de fases ocultas requer técnicas avançadas que podem capturar mudanças rápidas e mínimas na estrutura do material.
Magnetita (Fe3Ó4) é um material bem estudado, conhecido por sua intrigante transição de metal para isolante em baixas temperaturas – desde ser capaz de conduzir eletricidade até bloqueá-la ativamente. Isso é conhecido como transição de Verwey e altera significativamente as propriedades eletrônicas e estruturais da magnetita.
Com sua complexa interação de estrutura cristalina, carga e ordens orbitais, a magnetita pode sofrer essa transição metal-isolante em torno de 125 K.
Lasers ultrarrápidos induzem transições ocultas na magnetita
“Para compreender melhor este fenómeno, fizemos esta experiência onde observámos diretamente os movimentos atómicos que aconteciam durante tal transformação”, diz Carbone. “Descobrimos que a excitação do laser leva o sólido a algumas fases diferentes que não existem em condições de equilíbrio.”
Os experimentos usaram dois comprimentos de onda diferentes de luz: infravermelho próximo (800 nm) e visível (400 nm). Quando excitada com pulsos de luz de 800 nm, a estrutura da magnetita foi interrompida, criando uma mistura de regiões metálicas e isolantes. Em contraste, os pulsos de luz de 400 nm tornaram a magnetita um isolante mais estável.
Para monitorar as mudanças estruturais na magnetita induzidas por pulsos de laser, os pesquisadores usaram a difração de elétrons ultrarrápida, uma técnica que pode “ver” os movimentos dos átomos em materiais em escalas de tempo sub-picossegundos (um picossegundo é um trilionésimo de segundo).
A técnica permitiu aos cientistas observar como os diferentes comprimentos de onda da luz laser realmente afetam a estrutura da magnetita em escala atômica.
A estrutura cristalina da magnetita é chamada de “rede monoclínica”, onde a célula unitária tem o formato de uma caixa distorcida, com três bordas desiguais, e dois de seus ângulos são de 90 graus, enquanto o terceiro é diferente.
Quando a luz de 800 nm brilhou sobre a magnetita, induziu uma rápida compressão da rede monoclínica da magnetita, transformando-a em uma estrutura cúbica. Isso ocorre em três estágios ao longo de 50 picossegundos e sugere que existem interações dinâmicas complexas acontecendo dentro do material. Por outro lado, a luz visível de 400 nm fez com que a rede se expandisse, reforçando a rede monoclínica e criando uma fase mais ordenada – um isolante estável.
Implicações Fundamentais e Aplicações Tecnológicas
O estudo revela que as propriedades eletrônicas da magnetita podem ser controladas pelo uso seletivo de diferentes comprimentos de onda de luz. A compreensão dessas transições induzidas pela luz fornece informações valiosas sobre a física fundamental de sistemas fortemente correlacionados.
“Nosso estudo abre caminho para uma nova abordagem para controlar a matéria em escala de tempo ultrarrápida usando fóton pulsos”, escrevem os pesquisadores. Ser capaz de induzir e controlar fases ocultas na magnetita poderia ter implicações significativas para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avançados. Por exemplo, materiais que podem alternar entre diferentes estados eletrônicos de forma rápida e eficiente poderiam ser usados em dispositivos de computação e memória de próxima geração.
Referência: “Geração ultrarrápida de fases ocultas por meio de fotoexcitação eletrônica sintonizada com energia em magnetita” por B. Truc, P. Usai, F. Pennacchio, G. Berruto, R. Claude, I. Madan, V. Sala, T. LaGrange, GM Vanacore, S. Benhabib e F. Carbone, 20 de junho de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2316438121
