‘GPS’ atômico elucida movimento durante transições ultrarrápidas de materiais

Esta pesquisa, publicada recentemente em Materiais da Natureza, marca uma conquista metodológica; os pesquisadores demonstraram que uma técnica de caracterização de materiais chamada análise de função de distribuição de pares atômicos (PDF) é viável — e bem-sucedida — em instalações de laser de elétrons livres de raios X (XFEL). O PDF é normalmente empregado para experimentos de fonte de luz síncrotron, durante os quais amostras são bombardeadas com pulsos de raios X. Ao estudar como os padrões de difração de raios X mudam após interagir com materiais, os cientistas podem entender melhor as propriedades desses materiais. Mas esses experimentos são restritos pelos pulsos de raios X mais curtos que podem ser gerados.

“É como a velocidade do obturador de uma câmera”, explicou Jack Griffiths, coautor principal do artigo. “Se você estiver tirando uma foto de algo mudando mais rápido do que a velocidade do obturador da sua câmera, sua foto ficará borrada. Como uma velocidade rápida do obturador, pulsos de raios X mais curtos nos ajudam a ver materiais que mudam rapidamente com mais detalhes.” Griffiths era um pesquisador de pós-doutorado no X-ray Scattering Group dentro do Condensed Matter Physics & Materials Science (CMPMS) Department de Brookhaven quando a pesquisa foi conduzida e agora é um pesquisador de pós-doutorado na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab.

Fontes de luz síncrotron são excelentes para caracterizar materiais que não estão mudando ou materiais que mudam ao longo de minutos ou horas, como baterias enquanto carregam e descarregam. Mas esse grupo de cientistas queria observar mudanças materiais em escalas de tempo de picosegundos.

“É difícil imaginar quão rápido um picossegundo realmente é”, disse Griffiths. Em um segundo, a luz pode viajar ao redor da Terra sete vezes e meia. Mas em um picossegundo, a luz pode viajar apenas um terço de um milímetro. “As escalas de tempo são quase incomparáveis.”

Então, os cientistas levaram a técnica PDF para um XFEL chamado Linac Coherent Light Source (LCLS), uma instalação de usuário do Escritório de Ciências do DOE no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do DOE que gera pulsos de raios X incrivelmente brilhantes e curtos.

“Quando você faz algo pela primeira vez, sempre há esse aspecto do desconhecido. Pode ser estressante, mas também muito emocionante”, disse Emil Bozin, o outro coautor principal e físico do CMPMS X-ray Scattering Group. “Sabíamos das principais limitações de trazer PDF para um XFEL, mas não sabíamos realmente o que esperar.”

Com a rápida “velocidade do obturador” do LCLS, os cientistas conseguiram criar filmes que elucidam o movimento atômico, como aquele que ocorre quando sua amostra de material quântico faz a transição entre um metal e um isolante.

“Fiquei simplesmente impressionado com o quão bem funcionou”, disse Simon Billinge, físico do Grupo de Espalhamento de Raios X e professor da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia.

“É semelhante a precisar de um aplicativo de navegação”, Billinge acrescentou. “Você sabe onde está agora e qual é seu destino, mas precisa que o aplicativo lhe dê uma rota ou algumas opções de rota. O Ultrafast PDF era nosso aplicativo de navegação.”

Entender essas rotas atômicas é um primeiro passo importante para projetar materiais em transição com uma miríade de aplicações em computação, química e armazenamento de energia. Uma vez que os cientistas entendam como os materiais fazem a transição, eles podem manipular as rotas atômicas e projetar materiais otimizados para aplicações comerciais. Materiais de memória de computador, por exemplo, fazem a transição para uma fase diferente quando um arquivo é salvo. Nesse caso, é importante ter materiais que não exijam muita energia para alternar fases. Mas eles também precisam ser resistentes à troca de fase indesejada e à corrupção de dados por longos períodos de tempo.

“Fazer o PDF funcionar com um XFEL foi o resultado de um enorme esforço organizacional”, disse Ian Robinson, líder do X-ray Scattering Group no Brookhaven Lab e professor no London Centre for Nanotechnology na University College London (UCL). Por exemplo, Robinson observou, “nós coordenamos de perto com Sébastien Boutet e Vincent Esposito do LCLS para determinar que as linhas de luz de Macromolecular Femtosecond Crystallography (MFX) eram as mais promissoras para a técnica PDF.”

A equipe também incluiu físicos da Universidade de Columbia, da Universidade de Wisconsin, em Madison, do Laboratório Nacional Argonne do DOE e do Conselho de Instalações Científicas e Tecnológicas do Reino Unido.

Com seus experimentos bem-sucedidos de prova de princípio, os pesquisadores estavam ansiosos para olhar para outra transição de fase do material quântico, que os cientistas estudam como um “modelo” para outros materiais úteis. E a excitação do material com um pulso de laser levou a uma descoberta emocionante.

Descobrindo uma nova fase material

Assim como a transição de isolante para metal deste material quântico, algumas transições de materiais são conduzidas por mudanças de temperatura, pressão ou campo magnético. Mas como essas mudanças ambientais podem ocorrer naturalmente ou não intencionalmente, elas podem não ser confiáveis ​​para algumas aplicações. Quando se trata de computação, é importante que os materiais responsáveis ​​por armazenar arquivos não troquem de fase só porque uma sala ficou muito quente ou fria.

Então, os pesquisadores analisaram transições de “não equilíbrio”, uma mudança no estado do material induzida por um gatilho confiável e controlado. Neste caso, eles atingiram o material quântico com um pulso de laser.

Embora a luz do laser tenha perturbado apenas alguns átomos, os vizinhos desses átomos responderam à mudança. E então os vizinhos dos vizinhos sentiram o impacto, até que a mudança local se propagou por todo o material quântico.

“Foi como um terremoto no fundo do oceano que pode romper um pouco de água e criar uma onda que eventualmente atinge a borda do oceano”, acrescentou Billinge.

Usando PDF ultrarrápido, os pesquisadores observaram de perto o movimento atômico enquanto a amostra era bombardeada com pulsos de laser. E pela primeira vez, eles observaram diretamente o material quântico em transição para um novo estado que ainda não havia sido identificado.

“Foi como descobrir uma nova fase oculta da matéria que é inacessível durante transições de equilíbrio”, disse Bozin.

A descoberta dos cientistas contribuiu para um debate de anos sobre o que realmente acontece quando certos materiais quânticos são excitados por um laser; não é apenas como aquecer o material, mas sim a geração de um estado intermediário “metaestável” transitório.

Curiosamente, o material ficou desordenado por dezenas de picossegundos, “embora tenha começado e terminado em um estado ordenado”, disse Griffiths.

Robinson acrescentou: “A descoberta de um estado transiente representa uma nova fase do material, que vive por um curto período de tempo. Este é um sinal vital de que um material não descoberto e totalmente estável pode estar em uma composição próxima.”

Cientistas estão ansiosos para descobrir esses materiais “ocultos”. Mas eles também querem desbloquear todo o potencial da nova técnica PDF ultrarrápida.

“Existem várias formas de comutações de fase complexas que ocorrem em materiais quânticos, e planejamos explorá-las com PDF ultrarrápido”, disse Bozin. “Entender essas transições de fase pode facilitar o desenvolvimento de materiais comerciais. Mas a comunidade científica também pode usar a técnica para responder a questões fundamentais de física, explorar fenômenos ultrarrápidos e construir melhores supercondutores.”

Ele acrescentou: “Embora tenhamos respondido a perguntas sobre caminhos de transição de materiais, parece que abrimos uma porta em vez de fechá-la.”

Assim como este projeto, os futuros não terão sucesso sem colaboração multidisciplinar.

“Não usamos apenas as instalações LCLS no SLAC”, explicou Billinge. “As pessoas de lá também foram essenciais para tornar o PDF ultrarrápido um sucesso.”

A equipe de Brookhaven está pronta para otimizar a técnica PDF ultrarrápida, especialmente porque o LCLS está sendo atualizado para LCLS-II-HE, o que permitirá filmes moleculares de resolução ainda maior.

“Há interesse internacional em tornar isso uma rotina e uma técnica bem-sucedida”, disse Bozin. “E estamos ansiosos para fazer parte disso.”

A preparação da amostra foi feita no Center for Functional Nanomaterials, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab. Medições adicionais foram feitas no Advanced Photon Source, uma instalação de usuário do DOE Office of Science em Argonne.

Este trabalho foi apoiado principalmente pelo Escritório de Ciência do DOE.