Un descubrimiento desvela cómo surgen las vibraciones atómicas en los nanomateriales

Cien años de física nos dicen que las vibraciones atómicas colectivas, llamadas fonones, pueden comportarse como partículas u ondas. Cuando golpean una interfaz entre dos materiales, pueden rebotar como una pelota de tenis. Si los materiales son finos y se repiten, como en una superred, los fonones pueden saltar entre materiales sucesivos.

Ahora existe una prueba experimental definitiva de que, en la nanoescala, la noción de múltiples materiales delgados con vibraciones distintas ya no es válida. Si los materiales son delgados, sus átomos se disponen de forma idéntica, de modo que sus vibraciones son similares y están presentes en todas partes. Esta coherencia estructural y vibratoria abre nuevas vías en el diseño de materiales, que conducirán a dispositivos más eficientes energéticamente y de bajo consumo, a soluciones materiales novedosas para reciclar y convertir el calor residual en electricidad, y a nuevas formas de manipular la luz con el calor para una informática avanzada que alimente la comunicación inalámbrica 6G.

El descubrimiento es fruto de una larga colaboración entre científicos e ingenieros de siete universidades y dos laboratorios nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Su artículo, “Emergent Interface Vibrational Structure of Oxide Superlattices”, se publicó el 26 de enero en Nature.

Eric Hoglund, investigador postdoctoral de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia, se encargó del equipo. Obtuvo su doctorado en ciencia de los materiales e ingeniería en la UVA en mayo de 2020, trabajando con James M. Howe, profesor Thomas Goodwin Digges de ciencia e ingeniería de los materiales. Después de la graduación, Hoglund continuó trabajando como investigador posdoctoral con el apoyo de Howe y Patrick Hopkins, profesor Whitney Stone y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial.

El éxito de Hoglund ilustra el propósito y el potencial de la Iniciativa de Integración de Materiales Multifuncionales de la UVA, que fomenta la estrecha colaboración entre diferentes investigadores de distintas disciplinas para estudiar el rendimiento de los materiales desde los átomos hasta las aplicaciones.

“La capacidad de visualizar las vibraciones atómicas y relacionarlas con las propiedades funcionales y los nuevos conceptos de dispositivos, posibilitada por la colaboración y el asesoramiento conjunto en ciencia de los materiales e ingeniería mecánica, hace avanzar la misión del MMI”, aseguró Hopkins.

Hoglund empleó técnicas de microscopía para responder a las preguntas planteadas en los resultados experimentales que Hopkins publicó en 2013, informando sobre la conductividad térmica de las superredes, que Hoglund compara con un bloque de construcción de Lego.

“Se pueden conseguir las propiedades deseadas del material cambiando la forma en que los distintos óxidos se acoplan entre sí, el número de veces que se superponen los óxidos y el grosor de cada capa”, explica Hoglund.

Hopkins esperaba que el fonón obtuviera resistencia a medida que viajara por la red reticular, disipando la energía térmica en cada interfaz de las capas de óxido. En cambio, la conductividad térmica aumentó cuando las interfaces estaban muy juntas.

“Esto nos llevó a creer que los fonones pueden formar una onda que existe a través de todos los materiales subsiguientes, también conocido como efecto coherente”, mencionó Hopkins. “Llegamos a una explicación que se ajustaba a las mediciones de conductividad, pero siempre sentimos que este trabajo estaba incompleto”.

“Resulta que, cuando las interfaces se acercan mucho, las disposiciones atómicas exclusivas de la capa de material dejan de existir”, afirmó Hoglund. “Las posiciones de los átomos en las interfaces, y sus vibraciones, existen en todas partes. Esto explica por qué las interfaces espaciadas a nanoescala producen propiedades únicas, diferentes de las de una mezcla lineal de los materiales contiguos”.

Hoglund colaboró con Jordan Hachtel, asociado de I+D en el Centro de Ciencias de los Materiales Nanofásicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, para conectar la estructura atómica local con las vibraciones utilizando las nuevas generaciones de microscopios electrónicos de la UVA y Oak Ridge. Trabajando con datos espectroscópicos de alta resolución espacial, mapearon las vibraciones entre capas a través de las interfaces en una superred.

“Ese es el mayor avance del artículo de Nature”, afirmó Hopkins. “Podemos ver la posición de los átomos y sus vibraciones, esta hermosa imagen de una onda de fonón basada en un determinado patrón o tipo de estructura atómica”.

El camino de la colaboración hacia el éxito colectivo

El esfuerzo altamente colaborativo comenzó en 2018 cuando Hoglund estaba compartiendo planes de investigación para caracterizar las vibraciones atómicas en las interfaces de los óxidos de perovskita.

“Iba a ir a Oak Ridge a trabajar con Jordan durante una semana, así que Jim y Patrick me sugirieron que llevara las muestras de la superred y que viera lo que podíamos ver”, recuerda Hoglund. “Los experimentos que Jordan y yo hicimos en Oak Ridge aumentaron nuestra confianza en el uso de superredes para medir vibraciones a escala atómica o nanométrica”.

Durante uno de sus últimos viajes a Tennessee, Hoglund se reunió con Joseph R. Matson, un estudiante de doctorado que realizaba experimentos relacionados en el laboratorio de Materiales y Dispositivos Nanofotónicos de la Universidad de Vanderbilt, dirigido por Joshua D. Caldwell, profesor asociado de ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica y miembro de la Facultad de la Familia Flowers. Utilizando los instrumentos de Vanderbilt, llevaron a cabo experimentos de espectroscopia infrarroja por transformación de Fourier para sondear las vibraciones ópticas en toda la superred. Estas mediciones macroscópicas bien establecidas validaron el novedoso enfoque de microscopía de Hoglund.

A partir de estos experimentos, Hoglund dedujo que las propiedades que le interesaban -el transporte térmico y la respuesta infrarroja- se derivaban de la influencia de la interfaz en el marco bien ordenado de átomos de oxígeno de la superred. Los átomos de oxígeno se organizan en una estructura de ocho lados llamada octaedro, con un átomo de metal suspendido en su interior. La interacción entre los átomos de oxígeno y metal hace que los octaedros giren en la estructura del material. Las disposiciones del oxígeno y el metal en esta estructura generan las vibraciones únicas y dan lugar a las propiedades térmicas y espectrales del material.

De vuelta a la UVA, la conversación fortuita de Hoglund con Jon Ihlefeld, profesor asociado de ciencia e ingeniería de los materiales y de ingeniería eléctrica e informática, aportó más miembros y experiencia al esfuerzo. Ihlefeld mencionó que los investigadores afiliados a los Laboratorios Nacionales Sandia, Thomas Beechem, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue, y Zachary T. Piontkowski, miembro senior del personal técnico de Sandia, también estaban tratando de explicar el comportamiento óptico de los fonones y también habían encontrado exactamente las mismas superredes de óxido como material ideal para su estudio.

Casualmente, Hopkins mantenía una colaboración de investigación con Beechem, aunque con otros sistemas de materiales. “En vez de competir, acordamos trabajar juntos y hacer de esto algo más grande que cualquiera de nosotros”, afirmó Hoglund.

La participación de Beechem tuvo un beneficio adicional, ya que atrajo al físico y científico de materiales de Penn State Roman Engel-Herbert y a su estudiante Ryan C. Haisimaier a la asociación para cultivar muestras de material para los experimentos de microscopía que se están llevando a cabo en UVA, Oak Ridge y Vanderbilt. Hasta ahora, Ramamoorthy Ramesh, profesor de física y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de California en Berkeley, y sus estudiantes de doctorado Ajay K. Yadav y Jayakanth Ravichandran eran los encargados de cultivar en el equipo, proporcionando muestras al grupo de investigación ExSiTE de Hopkins.

“Nos dimos cuenta de que teníamos todos estos datos experimentales realmente nítidos que conectaban las vibraciones a escalas de longitud atómica y macroscópica, pero todas nuestras explicaciones seguían siendo en cierto modo conjeturas que no podíamos probar absolutamente sin teoría”, afirmó Hoglund.

Hachtel se puso en contacto con su colega de Vanderbilt Sokrates T. Pantelides, profesor distinguido de la Universidad de Física e Ingeniería, profesor de física William A. & Nancy F. McMinn y profesor de ingeniería eléctrica. Pantelides y los miembros de su grupo de investigación De-Liang Bao y Andrew O’Hara emplearon la teoría del funcional de la densidad para simular las vibraciones atómicas en un material virtual con estructura de superred.

Sus métodos teóricos y computacionales apoyaron exactamente los resultados producidos por Hoglund y otros experimentalistas del equipo. La simulación también permitió a los experimentadores comprender cómo vibra cada átomo de la superred con gran precisión y cómo se relaciona con la estructura.

En este punto, el equipo contaba con 17 autores: tres microscopistas, cuatro espectroscopistas ópticos, tres científicos computacionales, cinco cultivadores y dos científicos de materiales. Pensaron que había llegado el momento de compartir sus hallazgos con la comunidad científica en general.

Un revisor inicial de su manuscrito aconsejó al equipo que estableciera una conexión causal más directa entre la estructura del material y sus propiedades. “Medimos algunos fenómenos nuevos y geniales que establecían conexiones a lo largo de múltiples escalas de longitud que debían afectar a las propiedades de los materiales, pero aún no habíamos demostrado de forma convincente si las propiedades conocidas cambiaban y cómo lo hacían”, aseguró Hoglund.

Dos estudiantes de posgrado del laboratorio ExSiTE de Hopkins, el científico senior John Tomko y la estudiante de doctorado Sara Makarem, ayudaron a proporcionar la prueba final. Tomko y Makarem sondearon las superredes utilizando láseres infrarrojos y demostraron que la estructura controlaba las propiedades ópticas no lineales y el tiempo de vida de los fonones.

“Cuando se envía un fotón de una unidad de energía, las superredes duplican esa unidad de energía”, mencionó Hopkins. “John y Sara construyeron una nueva capacidad en nuestro laboratorio para medir este efecto, que expresamos como la eficiencia de generación de segundo armónico de estas superredes”. Su contribución amplía las capacidades del laboratorio ExSiTE para comprender nuevas interacciones entre la luz y los fonones.

“Creo que esto permitirá el descubrimiento de materiales avanzados”, aseguró Hopkins. “Los científicos e ingenieros que trabajan con otras clases de materiales pueden ahora buscar propiedades similares en sus propios estudios. Espero que descubramos que estas ondas de fonones, este efecto coherente, existe en muchos otros materiales”.

La prolongada colaboración continúa. Hoglund está en su segundo año como investigador postdoctoral, trabajando tanto con Howe como con Hopkins. Junto con Pantelides, Hachtel y Ramesh, espera que tengan nuevas y emocionantes ideas sobre la estructura atómica y la vibración para compartir en un futuro próximo.

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