Un estudio reciente publicado en Nature revela un fenómeno notable: los átomos dentro de materiales ultrafinos bailan en respuesta a pulsos de luz, girándose y desenroscándose como bailarines sincronizados. Esta intrincada coreografía se desarrolla a la velocidad del rayo, en la escala de una billonésima de segundo, haciéndola invisible a simple vista y demasiado rápida para que la capturen los instrumentos científicos convencionales.
Para desvelar este ballet atómico, investigadores de la Universidad de Cornell y la Universidad de Stanford recurrieron a la difracción de electrones ultrarrápida. Esta técnica de vanguardia utiliza ráfagas increíblemente breves de electrones disparados a una muestra inmediatamente después de que la golpea un pulso láser. Piense en ello como una cámara de ultra alta velocidad congelada en momentos específicos durante el baile. Al analizar cómo estas capas atómicas dispersan los electrones, los científicos pueden reconstruir su movimiento a lo largo del tiempo.
El tema de esta actuación atómica es un tipo especial de material conocido como materiales muaré. Estos materiales se construyen apilando láminas extremadamente delgadas (de sólo unos pocos átomos de espesor) una encima de otra con ligeras desalineaciones. Este desplazamiento aparentemente menor crea propiedades únicas que se pueden ajustar ajustando aún más el ángulo entre las capas.
“Imagínese apilar dos hojas de papel con un ligero giro”, explica Jared Maxson, profesor de física en Cornell y coautor correspondiente del estudio. “La forma en que se superponen crea patrones interesantes, patrones muaré, y estos patrones influyen en el comportamiento del material”.
Estas propiedades pueden manipularse para hacer que los materiales actúen como superconductores (lo que permite que la electricidad fluya sin resistencia) o crear comportamientos electrónicos inusuales, abriendo puertas a innovaciones en electrónica cuántica y otras tecnologías de vanguardia.
Anteriormente, los científicos creían que una vez apilados en un ángulo fijo, la estructura de estos materiales muaré permanecía estática. Sin embargo, esta innovadora investigación muestra que los átomos dentro de estas estructuras en capas están lejos de ser rígidos. En cambio, exhiben un movimiento dinámico, retorciéndose brevemente entre sí con más fuerza al exponerse a la luz antes de regresar, como un resorte comprimido que libera su energía.
“Este hallazgo desafía las suposiciones anteriores”, añade Fang Liu, líder del proyecto en Stanford y coautor correspondiente. “Hemos visto que los átomos dentro de estas células unitarias de muaré actúan casi como una danza circular”.
El éxito de este experimento dependió tanto del desarrollo de materiales especializados por parte del equipo de Liu en Stanford como del instrumento de difracción de electrones ultrarrápido construido en casa por Cornell, equipado con un detector altamente sensible llamado EMPAD.
La EMPAD, originalmente diseñada para capturar imágenes fijas, fue reutilizada en este estudio para actuar como una cámara increíblemente rápida capaz de capturar estos movimientos atómicos fugaces. “La mayoría de los detectores habrían borroso la señal”, dice Maxson. “El EMPAD nos permitió ver características increíblemente sutiles que fácilmente podrían haberse perdido”.
Este esfuerzo de colaboración marca un hito importante en nuestra comprensión de los materiales muaré. Demuestra el poder de la difracción de electrones ultrarrápida para visualizar fenómenos a nanoescala y abre vías interesantes para manipular el comportamiento cuántico en tiempo real utilizando la luz. Los experimentos futuros explorarán cómo diferentes materiales y ángulos de torsión responden a los pulsos de luz, allanando el camino para avances potencialmente revolucionarios en campos que van desde la superconductividad hasta la computación cuántica.
