Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, uma das principais instalações de pesquisa do Departamento de Energia dos EUA (DOE), acaba de realizar um feito inédito: os primeiros filmes em escala atômica da história. Descrita em um artigo publicado na Nature Materials, a técnica captura imagens em alta resolução do movimento e reorganização dos átomos em um material.
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A experiência permitiu demonstrar que a ferramenta análise de função de distribuição de pares atômicos (PDF), normalmente utilizada para experimentos de fonte de luz síncrotron, não só é viável, como se mostrou eficiente. Funcionando como um verdadeiro "GPS" atômico, a PDF mapeou em tempo real os átomos de um material quântico se reorganizando, durante a transição de isolante para metal.
Analisando posteriormente os filmes, os pesquisadores descobriram um estado específico da matéria que até agora provocava acirradas discussões na comunidade científica.
Entendendo o funcionamento do "GPS" atômico
O NSLS-II é uma das mais avançadas instalações de síncrotron do mundo.Fonte: National Synchrotron Light Source II
A 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 à medida que carregam e descarregam, por exemplo. Mas os autores queriam observar mudanças materiais em escalas de tempo de picossegundos.
Para o coautor principal do estudo, Jack Griffiths, pesquisador de pós-doutorado no National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), do DoE, para se ter uma ideia de quão rápido um picossegundo é, basta notar que, nesse intervalo de tempo extremamente curto a luz viaja por um terço de milímetro, mas dá sete voltas e meia ao redor da Terra em um segundo.
Nesse sentido, a análise PDF estuda a estrutura local de 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", compara Griffiths. Se a sua cena mudar mais rápido que a velocidade do obturador, a foto ficará borrada, 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: Linac Coherent Light Source
Para testar, na prática a técnica PDF, os pesquisadores a levaram para um XFEL, instalação de laser de elétrons livres de raios-x, no caso o LCLS (Fonte de Luz Coerente de Acelerador Linear, em tradução livre), um acelerador de partículas do Escritório de Ciências do DOE, que gera pulsos de raios-x incrivelmente brilhantes e curtos.
Embora soubessem dos riscos de trazer a PDF para um XFEL, os autores conseguiram obter a tal “velocidade do obturador” no LCLS, e conseguiram criar filmes que ilustram o movimento atômico, especificamente aquele que acontece quando sua mostra de material quântico transita entre um metal e um isolante, diz o estudo.
Para o coautor Simon Billinge, da Universidade de Colúmbia, é muito parecido com precisar de GPS. “Você sabe onde está agora e qual é seu destino, mas precisa que o aplicativo lhe dê uma rota ou algumas opções de rota. A Ultrafast PDF era nosso app de navegação”, conclui.
Qual a nova fase material descoberta pelo estudo?
Embora os autores tenham bombardeado só alguns átomos, os demais reagiram.Fonte: Getty Images
Assim como ocorreu a transição de isolante para metal no material quântico do estudo, alguns materiais podem passar por transições causadas por mudanças de temperatura, pressão ou campo magnético, E, como isso pode ocorrer por causas naturais ou não intencionais, elas 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 provocadas intencionalmente por um gatilho confiável e controlado: um pulso de laser no material quântico. Embora o laser tenha perturbado só alguns átomos, uma espécie de reação em cadeia ocorreu, com os vizinhos, e os vizinhos destes, respondendo à mudança.
Por meio da PDF ultrarrápida, observaram o movimento atômica enquanto a amostra era "zappeada". E, pela primeira vez na história, conseguiram observar ao vivo a transição do material quântico para um novo estado ainda não identificado. "Esse é um sinal vital de que um material não descoberto e totalmente estável pode estar em uma composição próxima", aposta Griffiths.
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Fontes
