La digievolución del dióxido de vanadio ¡todo un caos!

Hay desorden en la transición de fase del dióxido de vanadio, un material aislante y conductor. Su estudio permitirá entender mejor cómo controlar la materia, especialmente en el campo de la superconductividad.

Todo niño y niña de los 90’ tiene esa escena grabada en la mente ¡el momento de la digievolución! El momento en el que Bichomón digievolucionaba en ¡Superbichomón! Cuando un bichillo super dulce y mono se transformaba en un bicho bastante más feo, pero, con mucha más mala leche y superpoderes nuevos e increíbles. Bien, ahora donde digo Bichomón sustitúyelo por dióxido de vanadio, un material aislante y cuando digo Superbichomón imagínate al dióxido de vanadio transformado en un material superconductor, con propiedades anti-intuitivas. Pues la digievolución sería el equivalente a la transición de fase de este material. Justo el momento en que todas sus propiedades cambian.

Esperábamos ver cambios coherentes en la vibración durante la transición de fase

Dr. Simon Wall

Siguiendo con el símil, es “fácil” entender las características y habilidades de Bichomón y Superbichomón una vez transformados. Lo realmente complicado es saber qué ocurre durante la transición de fase. El momento en que todo cambia. Lo lógico es pensar que de forma ordenada y coherente cada pieza iba a parar a su lugar y así se construía el nuevo personaje. Lo mismo se pensaba del dióxido de vanadio, pero había que comprobarlo. “Esperábamos ver cambios coherentes en la vibración durante la transición de fase” afirma el Dr. Simon Wall, investigador principal.

El problema, que en este caso el proceso de transformación es un poquito más rápido y diminuto. Los átomos se mueven muy rápidamente, en distancias muy cortas y son muy difíciles de rastrear.

Esquema de la estructura atómica del dióxido de vanadio. Imagen: Gerg Stewart/ SLAC National Accelerator Laboratory

Para grabar el movimiento de los átomos, el equivalente a la “película molecular” durante la transición, se usa habitualmente la técnica de dispersión de rayos X. Se dispara un láser contra al dióxido de vanadio a una velocidad muy rápida, de femtosegundos, y se hace vibrar al material. “Cuando iluminas con pulsos de luz de femtosegundos un material, es como golpear un diapasón. Comienza a vibrar en su frecuencia de resonancia. El dióxido de vanadio vibra de manera coherente cuando los pulsos lumínicos no son muy fuertes, pero lo golpeas fuerte y para de vibrar y no sabemos por qué” indica Simon Wall, “el desorden explicaría por qué ocurre esto”. De hecho, para que haya caos o desorden es necesario aplicar fuerzas diferentes, pero los pulsos de luz aplican la misma fuerza sobre todos los átomos. Wall indica que “es necesario que haya otras interacciones para cambiar la fuerza de algo que es global a una fuerza que es diferente para cada átomo”.

El dióxido de vanadio fue el primer material que se descubrió la con capacidad de pasar de aislante a metal al exponerse a la luz brillante. Es uno de los materiales cuánticos más estudiados y muchos de los conceptos de este campo de estudio tienen su inicio en él. “Estos resultados son muy relevantes [en el campo de los materiales cuánticos], porque se pensaba que el proceso de desorden tomaba mucho más tiempo. Y ahora hemos visto que no puede obviarse incluso en escalas de tiempo muy cortas”.

El dióxido de vanadio vibra de manera coherente cuando los pulsos lumínicos no son muy fuertes, pero lo golpeas fuerte y para de vibrar y no sabemos por qué, el desorden explicaría por qué ocurre esto.

Simon Wall

Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista Science, y son consecuencia del trabajo de tres investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), el Prof. Simon Wall, la Dra. Luciana Vides, que realizaba su tesis en ese periodo y el ex investigador posdoctoral Timothy Miller, en colaboración con científicos de la Universidad de Duke, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón, la Universidad de Standford y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. En la actualidad el Dr. Simon Wall trabaja en la Universidad de Aarhus donde dirige el grupo de Dinámica Ultrarrápida de Materiales Cuánticos, investigando las causas del desorden, cómo la luz genera vibraciones en otros materiales como los superconductores de alta temperatura y el papel del desorden en los spin de sistemas electromagnéticos.

Estos resultados son muy relevantes porque se pensaba que el proceso de desorden tomaba mucho más tiempo. Y ahora hemos visto que no puede obviarse incluso en escalas de tiempo muy cortas

Dr. Wall

Este estudio además de permitir entender el papel del desorden en los materiales podría ser útil para entender como controlar la materia, especialmente en el campo de la superconductividad, lo que podría tener importantes implicaciones en la nanotecnología y la optoelectrónica.

El investigador Simon Wall y la Dra. Luciana Vides, trabajando en la configuración experimental en el ICFO.
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