Comprensión de la física en nuevos metales

Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL), trabajando en un equipo internacional, han desarrollado un nuevo método para estudios complejos de rayos X que ayudarán a comprender mejor los llamados minerales interconectados. Estos materiales podrían ser útiles para aplicaciones prácticas en áreas como superconductividad, procesamiento de datos y computadoras cuánticas. Hoy, los investigadores presentan su trabajo en la revista X. Revisión física.

En materiales como el silicio o el aluminio, la repulsión mutua de electrones no afecta las propiedades de los materiales. No es así con los llamados materiales correlacionados, donde los electrones interactúan fuertemente entre sí. El movimiento de un electrón en un material ligado provoca una interacción compleja y coordinada de los otros electrones. Son precisamente estos procesos acoplados los que hacen que estos materiales interconectados sean tan prometedores para aplicaciones prácticas y, al mismo tiempo, tan complejos de entender.

Los materiales altamente adheridos son candidatos para nuevos superconductores de alta temperatura, que pueden conducir la electricidad sin pérdida y que se utilizan en medicina, por ejemplo, en la formación de imágenes por resonancia magnética. También se pueden usar para construir componentes electrónicos, o incluso computadoras cuánticas, con las que los datos se pueden procesar y almacenar de manera más eficiente.

«Los materiales fuertemente correlacionados muestran una gran cantidad de fenómenos fascinantes, sin embargo, comprender y explotar el comportamiento complejo que subyace a estos fenómenos sigue siendo un desafío importante», dice Thorsten Schmitt, director de espectroscopía del Grupo de Materiales Nuevos en PSI. Schmidt y su equipo de investigación abordan esta tarea con la ayuda de un método en el que utilizan rayos X extremadamente intensos y precisos de la fuente de luz Swiss SLS en PSI. Esta técnica más nueva, que se ha desarrollado aún más en PSI en los últimos años, se denomina dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS para abreviar.

Con RIXS, los rayos X suaves se dispersan sobre una muestra. El haz de rayos X incidente se sintoniza de tal manera que los electrones se elevan desde una órbita de electrones inferior a una órbita más alta, lo que significa una excitación de resonancia especial. Esto conduce a un desequilibrio del sistema. Varios procesos electrodinámicos conducen a un retorno al estado fundamental. Parte del exceso de energía se emite nuevamente en forma de luz de rayos X. El espectro de esta radiación dispersa de forma inelástica proporciona información sobre los procesos fundamentales y, por tanto, sobre la estructura electrónica del material.

«En los últimos años, RIXS se ha convertido en una poderosa herramienta experimental para descifrar la complejidad de los materiales interconectados», explica Schmidt. Cuando se usa para verificar aisladores roscados en particular, funciona muy bien. Sin embargo, hasta ahora, el método no ha tenido éxito en el cribado de metales correlacionados. Su fracaso se debió a la dificultad de interpretar los espectros altamente complejos generados por los diferentes procesos electrodinámicos durante la dispersión. «En este sentido, la colaboración con los teóricos es fundamental, porque pueden simular los procesos observados en el experimento», explica Schmidt.

Esta es la especialidad del físico teórico Keith Gilmore, quien anteriormente trabajó en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) en Estados Unidos y ahora en la Universidad Humboldt de Berlín. «Calcular los resultados de RIXS para metales correlacionados es un desafío porque tiene que lidiar con muchos orbitales de electrones, un gran ancho de banda y una gran cantidad de interacciones electrónicas al mismo tiempo», dice Gilmore. Es más fácil trabajar con aisladores interconectados porque hay menos orbitales; Esto permite cálculos típicos que incluyen explícitamente todos los electrones. Para ser precisos, Gilmore explica: «En nuestra nueva forma de describir los procesos RIXS, ahora combinamos las contribuciones que provienen de la excitación de un electrón con la interacción coordinada de todos los demás electrones».

Para probar el cálculo, los investigadores de PSI realizaron experimentos en un material que el científico de BNL Jonathan Bellisarii investigó en detalle como parte de su tesis doctoral en PSI: bario-hierro-arsénico. Si agrega una cierta cantidad de átomos de potasio a la sustancia, se vuelve superconductora. Pertenece a una clase de superconductores no convencionales a base de hierro de alta temperatura que se espera que proporcionen una mejor comprensión del fenómeno. «Hasta ahora, la interpretación de las mediciones de RIXS en materiales tan complejos se ha guiado principalmente por la intuición. Ahora, estos cálculos de RIXS nos brindan a los experimentadores un marco que permite una interpretación más práctica de los resultados. Nuestras mediciones de RIXS en PSI en bario y arseniuro de hierro están en excelente concordancia con los perfiles calculados ”, dice Pelliciari.

En sus experimentos, los investigadores investigaron la física alrededor del átomo de hierro. “Una de las ventajas de RIXS es ​​que puede concentrarse en un ingrediente específico y examinarlo en detalle en busca de sustancias que sean varios componentes”, dice Schmidt. Un haz de rayos X bien sintonizado hace que un electrón interno en un átomo de hierro se eleve desde el estado fundamental en el nivel básico a la banda de valencia de mayor energía, que está solo parcialmente ocupada. Esta excitación primaria del electrón primario puede causar más excitación secundaria y conducir a muchos procesos complejos de desintegración que eventualmente aparecen en las estructuras espectrales de los satélites. (ver gráfico).

Debido a que las contribuciones de muchas interacciones a veces son pequeñas y cercanas entre sí, es difícil saber qué procesos ocurrieron realmente en un experimento. Aquí ayuda la combinación de experimento y teoría. «Si no tiene apoyo teórico para experimentos difíciles, no puede comprender los procesos, es decir, la física, en detalle», dice Schmidt. Lo mismo se aplica también a la teoría: «A menudo no sabes qué teorías son realistas hasta que puedes compararlas con un experimento. Los avances en la comprensión se producen cuando se combinan el experimento y la teoría. Por lo tanto, este método descriptivo tiene el potencial de convertirse en una referencia para la interpretación de experimentos espectroscópicos sobre minerales correlacionados «.

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El equipo internacional publicó su trabajo en la revista X. Revisión física.

Texto: Barbara Funerburg

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El Instituto Paul Scherrer PSI desarrolla, construye y opera instalaciones de investigación grandes y complejas y las pone a disposición de la comunidad de investigación nacional e internacional. Las principales prioridades de investigación del Instituto se encuentran en las áreas de materia, materiales, energía, medio ambiente y salud humana. La ISP está comprometida con la formación de las generaciones futuras. Aproximadamente una cuarta parte de nuestros empleados son postdoctorados, graduados universitarios o pasantes. En total, PSI emplea a 2100 personas y, por lo tanto, es el instituto de investigación más grande de Suiza. El presupuesto anual es de unos 400 millones de francos suizos. PSI es parte del dominio ETH, los otros miembros son los dos Institutos Federales Suizos de Tecnología, ETH Zurich y EPFL Lausanne, así como Eawag (Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología del Agua), Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia de Materiales y Technology) y WSL (Swiss Federal Institute for Forest Research) nieve y paisaje).

Dr. Thorsten Schmidt

Jefe del Departamento de Espectroscopia del Grupo de Nuevos Materiales

Paul Scherer Institute, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suiza

Teléfono: +41 56310 37 62, correo electrónico: [email protected] [German, English]

Dr. Keith Gilmore

Instituto de Física e IRIS Adlershof, Física Teórica del Estado Sólido

To the Great Wind Tunnel 2, 12489 Berlín, Alemania

Teléfono: +49 30 2093 66370, correo electrónico: [email protected]

Dr.. Jonathan Plisari

Laboratorio Nacional Brookhaven, Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II

PO Box 5000, Upton, NY 11973-5000, EE. UU.

Tel: 001631344 6223, Correo electrónico: [email protected]

Descripción de la dispersión inelástica de rayos X en metales correlacionados

Keith Gilmore, Jonathan Belciari, Yaobu ​​Huang, Joshua J. Kass, Marcus Dantz, Vladimir N. Strukov, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Tanmoi Das, Takasada Shibuchi y Thorsten Schmidt.

X. Revisión física, 07.2021

DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.031013