El desordre dels àtoms, clau en el canvi de fase de la matèria

El desordre dels àtoms, clau en el canvi de fase de la matèria

Dos dels investigadors de l'ICFO, el professor Simon i l'estudiant de doctorat Luciana Vides, treballant en la configuració experimental en el seu laboratori a l'ICFO.
  • Científics internacionals comproven, per primer cop, que el moviment dels àtoms en les transicions de fase no és uniforme en contra del que és comunament acceptat
  • Aquest descobriment implica noves perspectives sobre com aconseguir el control de la matèria, especialment en el camp de la superconductivitat

En el moment que un material, com el diòxid de vanadi passa d’un estat aïllant a un de conductor, el trencament dels àtoms es produeix de manera molt desordenada, al contrari del que es pensava fins ara. Un equip de científics internacionals, entre els que hi ha investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques de Barcelona (ICFO), ha fet aquest descobriment amb el primer làser de raigs X del món. La recerca aporta noves perspectives en el camp de la superconductivitat i, al mateix temps apunta un canvi en les explicacions sobre les transicions de fase que hi ha als llibres de text.

Les transicions de fase són esdeveniments habituals que canvien les propietats d’un material. Una de les més conegudes és la transició de sòlid-líquid-gas de l’aigua. Cada fase correspon a un nou posicionament dels àtoms dins del material, que dicten les seves propietats. Si bé aquest canvi de posicionament es pot estudiar fàcilment en cada fase per separat, és molt més complicat fer-ho durant aquestes transicions de fase. Això s’explica pel fet que els àtoms són increïblement petits, les distàncies en què es mouen també són petites i, com a resultat, poden ocórrer molt ràpidament. A més, els materials consten de trilions d’ àtoms, el que fa que sigui extremadament difícil rastrejar els seus moviments individuals.

Un canvi de fase interessant és la transició metall-aïllant en el material diòxid de vanadi (VO2). Un material que és aïllant a temperatura ambient però conductor quan s’escalfa, ja que canvia la seva estructura de cristal·lina a metàl·lica. El canvi de fase del diòxid de vanadi es produeix en menys d’un nano segon, i per explicar aquesta increïble velocitat fins ara els científics havien suggerit que hi devia haver un moviment cooperatiu dels àtoms. Ho van considerar el 2007 quan a través d’una tècnica anomenada difracció: van poder filmar directament el moviment dels àtoms durant la transició de fase i va semblar confirmar la imatge del moviment coordinat. No obstant això, la difracció revela poca informació sobre la trajectòria real dels àtoms individuals involucrats.

Nova tècnica per resoldre les rutes atòmiques

Ara, en un estudi recent publicat a la revista Science, tres investigadors de l’ICFO, el professor Simon Wall, l’estudiant de doctorat Luciana Vides i l’ex postdoc Timothy Miller, en col·laboració amb científics de la Universitat de Duke, el Laboratori Nacional d’Acceleradors SLAC, l’Institut de Recerca de Radiació Sincrotró del Japó, la Universitat de Stanford i el Laboratori Nacional d’Oak Ridge, han utilitzat una nova tècnica capaç de resoldre les rutes atòmiques.

Per a fer-ho, els investigadors han fet ús del primer làser de raigs X del món situat al Laboratori Nacional d’Acceleradors SLAC. Aquesta font de llum va permetre l’equip investigador examinar l’estructura cristal·lina del diòxid de vanadi amb uns detalls sense precedents, utilitzant una tècnica coneguda com a dispersió total de raigs X. En contrast amb l’opinió generalitzada, els autors van trobar que la reorganització dels àtoms es feia d’una manera extremadament desordenada.

Simon Wall, el primer autor de l’article apunta que aquesta “ha estat la és la primera vegada que realment hem pogut observar com els àtoms es reorganitzen en una transició de fase sense assumir que el moviment és uniforme” i considera que això suggereix que la comprensió sobre aquestes transicions explicades en els llibres de text “hauria de ser reescrita”. Ara els investigadors tenen previst fer servir aquesta tècnica per a explorar més materials i comprendre fins a on pot arribar el rol que juga el desordre.

Fins ara, el diòxid de vanadi s’ha utilitzat freqüentment com una guia per comprendre les fases en materials més complexos com els superconductors d’alta temperatura. Els resultats obtinguts d’aquest estudi suggereixen que aquests materials també haurien de ser reexaminats. Comprendre el paper del desordre en els materials podria implicar una nova perspectiva sobre com aconseguir controlar la matèria, especialment en el camp de la superconductivitat, la qual podria tenir importants implicacions per a la nanotecnologia i l’optoelectrònica.

Leave a Comment

Your email address will not be published.

*