Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, uma das principais instalações de pesquisa do Departamento de Energia dos EUA (DOE), acabaram de realizar um feito sem precedentes: os primeiros filmes em escala atômica da história. Descrita em artigo publicado na Nature Materials, a técnica captura imagens em alta resolução do movimento e reorganização dos átomos em um material.
A experiência permitiu demonstrar que a ferramenta de análise da função de distribuição de pares atômicos (PDF), normalmente utilizada para experimentos com fontes de luz síncrotron, não apenas é viável, mas também se mostrou eficiente. Funcionando como um verdadeiro “GPS” atômico, o PDF mapeou em tempo real os átomos de um material quântico se reorganizando durante a transição do isolante para o metal.
Após analisar os filmes, os pesquisadores descobriram um estado específico da matéria que até então provocava acirradas discussões na comunidade científica.
Entendendo como funciona o “GPS” atômico
O NSLS-II é uma das instalações síncrotron mais avançadas do mundo.Fonte: Fonte Nacional de Luz Síncrotron II
Luz síncrotron é um tipo de radiação eletromagnética de alta intensidade e brilho ideal para caracterizar materiais em estados estacionários ou que mudam ao longo de minutos ou horas, como baterias durante a carga e descarga, por exemplo. Mas os autores queriam observar mudanças materiais em escalas de tempo de picossegundos.
Para que o coautor principal do estudo, Jack Griffiths, pesquisador de pós-doutorado na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) do DoE, tenha uma ideia de quão rápido é um picossegundo, basta observar que, neste intervalo de tempo extremamente curto a luz viaja um terço de milímetro, mas ele viaja sete vezes e meia ao redor da Terra em um segundo.
Nesse sentido, a análise de PDF estuda a estrutura local dos materiais, ou seja, a organização dos átomos a curtas distâncias uns dos outros, o que a torna especialmente útil para capturar eventos rápidos e dinâmicos. “É como a velocidade do obturador de uma câmera”, diz Griffiths. Se a cena mudar mais rápido do que a velocidade do obturador, a foto ficará desfocada, mas pulsos de raios X mais curtos revelarão materiais que mudam rapidamente.
Testando a técnica PDF
O LCLS tira instantâneos de raios X de átomos e moléculas em ação.Fonte: Fonte de luz coerente Linac
Para testar a técnica do PDF na prática, os pesquisadores a levaram para um XFEL, uma instalação de laser de elétrons livres de raios X, no caso o LCLS (Linear Accelerator Coherent Light Source, em tradução livre), um acelerador de partículas do DOE Office of Ciência, que gera pulsos de raios X incrivelmente brilhantes e curtos.
Embora estivessem cientes dos riscos de levar o PDF a um isolador, afirma o estudo.
Para o coautor Simon Billinge, da Universidade de Columbia, é como precisar de GPS. “Você sabe onde está agora e qual é o seu destino, mas precisa que o aplicativo lhe forneça uma rota ou algumas opções de rota. O Ultrafast PDF foi nosso aplicativo de navegação”, finaliza.
Qual é a nova fase de material descoberta pelo estudo?
Embora os autores tenham bombardeado apenas alguns átomos, os outros reagiram.Fonte: Imagens Getty
Assim como a transição de isolante para metal ocorreu no material quântico em estudo, alguns materiais podem sofrer transições causadas por mudanças de temperatura, pressão ou campo magnético. E, como isso pode ocorrer por causas naturais ou não intencionais, podem não ser confiáveis. para aplicações como computação, por exemplo onde variações de temperatura podem levar à perda de dados.
Nesse sentido, os pesquisadores pesquisaram as chamadas transições de “não equilíbrio”, ou seja, mudanças no estado do material causadas intencionalmente por um gatilho confiável e controlado: um pulso de laser no material quântico. Embora o laser tenha perturbado apenas alguns átomos, ocorreu uma espécie de reação em cadeia, com vizinhos, e seus vizinhos, respondendo à mudança.
Usando PDF ultrarrápido, eles observaram o movimento atômico enquanto a amostra era “zapada”. E, pela primeira vez na história, conseguiu observar ao vivo a transição do material quântico para um estado novo, ainda não identificado. “Este é um sinal vital de que um material completamente estável e desconhecido pode estar em uma composição próxima”, diz Griffiths.
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