Control de la electrónica con luz: el avance de la magnetita

«Hace algún tiempo demostramos que es posible inducir una transición de fase inversa en la magnetita», afirma el físico Fabrizio Carbone de la EPFL. “Es como si tomaras agua y pudieras convertirla en hielo poniéndole energía con un láser. Esto es contradictorio, ya que normalmente para congelar agua se enfría, lo que significa que se le quita energía».

Ahora, Carbone ha dirigido un proyecto de investigación para dilucidar y controlar las propiedades estructurales microscópicas de la magnetita durante dichas transiciones de fase inducidas por la luz. El estudio descubrió que al utilizar longitudes de onda de luz específicas para la fotoexcitación, el sistema puede conducir la magnetita a distintos estados metaestables de no equilibrio («metaestable» significa que el estado puede cambiar bajo ciertas condiciones) llamados «fases ocultas», revelando así una nueva Protocolo para manipular propiedades de materiales en escalas de tiempo ultrarrápidas. Los hallazgos, que podrían tener un impacto en el futuro de la electrónica, se publican en PNAS.

¿Qué son los «estados de no equilibrio»? El «estado de equilibrio» es básicamente un estado estacionario en el que las propiedades de un material no cambian con el tiempo porque las fuerzas que contiene están equilibradas. Cuando esto se altera, se dice que el material (el «sistema», para ser precisos en términos de física) entra en un estado de no equilibrio, mostrando propiedades que pueden rayar en lo exótico e impredecible.

Una transición de fase es un cambio en el estado de un material, debido a cambios de temperatura, presión u otras condiciones externas. Un ejemplo cotidiano es el agua que pasa de hielo sólido a líquido o de líquido a gas cuando hierve.

Las transiciones de fase en los materiales suelen seguir caminos predecibles en condiciones de equilibrio. Pero cuando los materiales pierden el equilibrio, pueden comenzar a mostrar las llamadas «fases ocultas», estados intermedios a los que normalmente no se puede acceder. La observación de fases latentes requiere técnicas avanzadas que puedan capturar cambios rápidos y diminutos en la estructura del material.

Magnetita (Fe₃Oh₄) es un material bien estudiado conocido por su intrigante transición de metal a aislante a bajas temperaturas: desde ser capaz de conducir electricidad hasta bloquearla activamente. Esto se conoce como transición de Verwey y cambia significativamente las propiedades electrónicas y estructurales de la magnetita.

Con su compleja interacción de estructura cristalina, carga y ordenamiento orbital, la magnetita puede sufrir esta transición metal-aislante a aproximadamente 125 K.

«Para comprender mejor este fenómeno, hicimos este experimento en el que observamos directamente los movimientos atómicos que ocurren durante tal transformación», dice Carbone. «Descubrimos que la excitación del láser lleva el sólido a diferentes fases que no existen en condiciones de equilibrio».

Los experimentos utilizaron dos longitudes de onda de luz diferentes: el infrarrojo cercano (800 nm) y el visible (400 nm). Cuando se excitaba con pulsos de luz de 800 nm, la estructura de la magnetita se alteraba, creando una mezcla de regiones metálicas y aislantes. Por el contrario, los pulsos de luz de 400 nm hicieron de la magnetita un aislante más estable.

Para monitorear los cambios estructurales en la magnetita inducidos por los pulsos láser, los investigadores utilizaron difracción de electrones ultrarrápida, una técnica que puede «ver» los movimientos de los átomos en los materiales en subpicosegundos (un picosegundo es una billonésima de segundo).

La técnica permitió a los científicos observar cómo las diferentes longitudes de onda de la luz láser afectan realmente la estructura de la magnetita a escala atómica.

La estructura cristalina de la magnetita es lo que se llama una «red monoclínica», donde la celda unitaria tiene forma de caja distorsionada, con tres aristas desiguales, y dos de sus ángulos son de 90 grados mientras que el tercero es diferente.

Cuando la luz de 800 nm brilló sobre la magnetita, indujo una rápida compresión de la red monoclínica de magnetita, transformándola hacia una estructura cúbica. Esto ocurre en tres etapas durante 50 picosegundos, lo que sugiere que existen interacciones dinámicas complejas que ocurren dentro del material. Por el contrario, la luz visible de 400 nm hizo que la red se expandiera, fortaleció la red monoclínica y creó una fase más ordenada: un aislante estable.

Implicaciones fundamentales y aplicaciones tecnológicas.

El estudio muestra que las propiedades electrónicas de la magnetita se pueden controlar mediante el uso selectivo de diferentes longitudes de onda de luz. Comprender estas transiciones inducidas por la luz proporciona información valiosa sobre la física fundamental de sistemas fuertemente correlacionados.

«Nuestro estudio logra un nuevo enfoque para controlar la materia en una escala de tiempo ultrarrápida utilizando pulsos de fotones personalizados», escriben los investigadores. Ser capaz de inducir y controlar fases latentes en la magnetita podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de materiales y dispositivos avanzados. Por ejemplo, los materiales que pueden cambiar entre diferentes estados electrónicos de manera rápida y eficiente podrían usarse en dispositivos informáticos y de memoria de próxima generación.