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(Noticias de Nanowerk) Cualquiera que haya visto salir vapor de un caldero hirviendo o cristales de hielo en una ventana mojada en invierno ha observado lo que los científicos llaman una transición de fase.
Las transiciones de fase, por ejemplo entre sólidos, líquidos y gases, ocurren en una amplia variedad de sustancias y pueden ser rápidas o lentas. Los científicos planean utilizar transiciones de fase para controlar las propiedades electrónicas, estructurales o magnéticas de diferentes materiales a medida que experimentan estos cambios, para su uso en nuevas memorias informáticas, por ejemplo.
En un nuevo estudio (PNAS, «Las imágenes de nanodifracción de rayos X revelan una dinámica nanoscópica clara de una transición de fase ultrarrápida»), los investigadores pudieron ver una transición de fase estructural con detalles minuciosos en una escala de tiempo muy rápida por primera vez. Los científicos tomaron imágenes de rayos X separadas por menos de una décima de mil millonésima de segundo utilizando una técnica llamada microscopía de nanodifracción.
«Un video típico puede reproducirse a 30 cuadros por segundo, por lo que es un video en cámara lenta que puede resolver dinámicas extremadamente rápidas», dijo Haidan Wen, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
La capacidad de seguir la evolución del comportamiento de los materiales tan de cerca en el tiempo y el espacio ha revelado comportamientos inusuales en ciertos materiales que experimentan cambios de fase, incluidos muchos materiales magnéticos.
«Podemos acercarnos a una muestra en el tiempo y el espacio de una manera que nunca antes habíamos podido», dijo Youngjun Ahn, el primer autor del estudio.
Ahn es un antiguo estudiante de posgrado en prácticas en Argonne de la Universidad de Wisconsin-Madison. Para este trabajo trabajó en estrecha colaboración con Wen. «Este método nos brinda una visión precisa de los cambios estructurales en nuestra muestra que son difíciles de detectar con cualquier otro método», dijo Ahn.
El estudio utilizó la nanosonda de rayos X duros operada por el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne. APS y CNM son entidades usuarias de la Oficina de Ciencias del DOE.
Al investigar las transiciones de fase en un compuesto de hierro y rodio, los investigadores encontraron una manera de observar cómo cambia la estructura del compuesto entre dos configuraciones magnéticas. El cambio provoca un estiramiento muy pequeño en la red atómica, pero suficiente para tener un impacto significativo en el magnetismo.
Los científicos pueden usar las fases magnéticas para crear un nuevo tipo de almacenamiento magnético que promete ser más rápido y más eficiente energéticamente que el almacenamiento de datos tradicional. En todos los materiales magnéticos, manipular las transiciones de fase alrededor de la temperatura crítica a la que ocurren puede ser clave para poder cambiar un bit de almacenamiento de información entre un «1» y un «0».
Para crear memorias magnéticas compactas, los científicos necesitan encontrar una forma de manipularlas con precisión. Una forma de hacerlo es con un cambio de temperatura local.
Al calentar un bit magnético, los científicos podrían generar la reconfiguración que utilizan para codificar información usando menos energía, conocida como grabación magnética asistida por calor.
«Una de las cosas muy interesantes de este material en particular, el hierro-rodio, es que tiene una transición de fase a una temperatura que podría usarse para este tipo de aplicaciones», dijo el profesor Paul Evans de la Universidad de Wisconsin-Madison. . “Pero para hacer el tipo de manipulaciones que nos interesan, necesitamos una ‘cámara’ mejor. Por lo tanto, es importante utilizar esta técnica recientemente desarrollada para estudiarlos”.
«El aspecto clave de nuestro experimento es que podemos acceder a regiones extremadamente pequeñas del espacio o momentos rápidos en el tiempo con alta precisión, lo que nos permite descubrir dinámicas a nanoescala que antes no se reconocían», agregó Wen, quien concibió el trabajo.
La próxima actualización del APS tendrá un impacto significativo en futuros experimentos que visualicen este tipo de transiciones de fase. «Después de la actualización de APS», dijo Martin Holt, científico de rayos X de Argonne, «esperamos una resolución espacial más alta, particularmente aprovechando la coherencia mejorada del haz de rayos X. Nuestro desarrollo de resolución temporal ultrarrápida dentro de este tipo de microscopía de rayos X nos ayuda a comprender los orígenes del tipo de efectos que observamos. Esta es una capacidad única que puede ofrecer el APS actualizado”.
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