Los cambios de simetría inspirados en la luz en cristales pequeños permiten a los investigadores crear materiales con propiedades cosidas

Imagine crear una torre de Lego con bloques completamente alineados. Cada bloque representa un átomo en un pequeño cristal, conocido como punto cuántico. Como la torre puede competir, mover los bloques y cambiar su composición, las fuerzas externas pueden mover los átomos a un punto cuántico, romper su simetría y afectar sus propiedades.

Los científicos han aprendido que pueden romper deliberadamente la simetría, o restaurar la simetría, para crear nuevos materiales con propiedades únicas en puntos cuánticos. En un estudio reciente, los investigadores del Laboratorio Nacional, el Departamento de Energía Americana (DOE), han descubierto cómo usar la luz para cambiar la disposición de los átomos en estas estructuras minúsculas.

Los puntos cuánticos hechos de materiales semiconductores, como el sulfuro de plomo, son conocidos por sus propiedades ópticas y electrónicas únicas debido a su pequeño tamaño, lo que les da la capacidad de traer revolución en áreas como la electrónica y las imágenes médicas. Al utilizar la capacidad de controlar la simetría en estos puntos cuánticos, los científicos pueden adaptar los materiales para propiedades específicas relacionadas con la luz y electricidad. Esta investigación abre nuevas posibilidades para diseñar materiales que ya realicen tareas imposibles, ofreciendo una ruta a tecnologías innovadoras.

Típicamente, se espera que el sulfuro de plomo cree una estructura cristalina cúbica, que se caracteriza por una alta simetría como sal de mesa. En esta estructura, los átomos de plomo y azufre deberían organizarse en una red muy ordenada, al igual que los bloques de Lego rojo y azul.

Sin embargo, los datos anteriores sugirieron que los átomos principales no estaban bien donde se esperaba que estuvieran. En cambio, estaban un poco descentrados, lo que conducía a una estructura con baja simetría.

"Cuando cambia la simetría, puede cambiar las propiedades de un material, y es casi como un material nuevo", explicó el físico del argón Richard Scaller. "La comunidad científica está muy interesada en encontrar formas de crear una situación en el caso que no pueda producirse en circunstancias normales".

El equipo utilizó técnicas avanzadas de láser y rayos X para estudiar cómo la estructura de los puntos cuánticos de sulfuro de plomo cambió cuando se expone a la luz. En el Laboratorio de Acelerador Nacional SLAC de la DOE, utilizó un dispositivo, que se llama difracción de electrones ultrarrápido Megeltronwolt (MeV-eurb), que observa increíblemente el comportamiento de estos puntos cuánticos en poco tiempo, un billón de segundo.

Mientras tanto, en la fuente avanzada de fotones (APS), en una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argón, operó los experimentos de dispersión de rayos X totales ultrarrápidos utilizando la línea de luz 11-ID-D, que para estudiar cambios estructurales temporales en una mil millones de segundos. Estas mediciones de rayos X se benefician de la actualización reciente de APS, que ofrece haces de rayos X de alta energía que son brillantes hasta 500 veces en comparación con antes.

Además, otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Centro de Material de Nanoskale, Argón, el equipo realizó rápidamente, nuevamente, menos de un billón de una segunda medición de absorción óptica, cómo cambiar los procesos electrónicos cuando cambian en la simetría. Estas características estatales de -le artes en Argón y SLAC jugaron un papel importante en ayudar a los investigadores a saber más sobre la simetría y el control de las propiedades ópticas de los puntos cuánticos en plazos muy rápidos.

Utilizando estas técnicas, los investigadores notaron que cuando los puntos cuánticos se dieron cuenta de la pequeña explosión de luz, la simetría de la estructura cristalina se convirtió en una más organizada de un estado desorganizado.

"Cuando los puntos cuánticos absorben un pulso leve, el electrón excitado hace que el material se mueva a una disposición más simétrica, donde los átomos de plomo se remontan a una posición concentrada", dijo Burk Guzelterk, físico de APS.

Esquemas de monedas de cripto-dump de bombeo para monitorear la coordinación de los esquemas

El retorno de la simetría afectó directamente las propiedades electrónicas de los puntos cuánticos. El equipo vio una disminución en la energía de la banda, que es la diferencia en la energía que los electrones necesitan para saltar de un estado a otro dentro de un material semiconductor. Este cambio puede afectar qué tan bien los cristales operan electricidad y responden a fuerzas externas, como los campos eléctricos.

Además, los investigadores también investigaron cómo los puntos cuánticos y su tamaño de química de la superficie afectan los cambios temporales en la simetría. Al ajustar estos factores, pueden controlar las entradas de simetría y fijar las propiedades ópticas y electrónicas de los puntos cuánticos.

"A menudo creemos que la estructura cristalina en realidad no cambia, pero estos nuevos experimentos sugieren que la estructura no siempre es estable cuando la luz se absorbe", dijo el erudito.

Los resultados de este estudio son importantes para las nanocinas y la tecnología. Siendo capaz de cambiar la simetría de los puntos cuánticos mediante el uso de pulsos de luz solamente, los científicos obtienen la instalación para hacer materiales con propiedades y funciones específicas. La forma en que los ladrillos LEGO se pueden convertir en estructuras interminables, los investigadores están aprendiendo cómo construyen puntos cuánticos con cualidades que desean, allanan el camino para un nuevo progreso tecnológico.

Se publicaron los resultados de esta investigación materiales avanzados,