Investigadores del Laboratorio Nacional SLAC del Departamento de Energía de Estados Unidos han realizado un avance significativo en la comprensión de los cambios de fase en materiales, utilizando una técnica innovadora conocida como espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS). Este método permite, por primera vez, visualizar en tiempo real cómo un material se transforma de una fase cristalina a otra, un proceso fundamental tanto en la naturaleza como en diversas aplicaciones tecnológicas.
Los cambios de fase son fenómenos comunes en nuestra vida cotidiana, como la transformación del hielo en agua o el agua en vapor. Sin embargo, también son cruciales en aplicaciones más complejas, como los sistemas de calefacción y la memoria digital utilizada en dispositivos como smartphones. La capacidad de algunos materiales para alternar entre dos fases, que representan los códigos binarios 0 y 1, es esencial para el almacenamiento de información. Comprender estas transformaciones es clave para diseñar materiales que mejoren la velocidad de conmutación y reduzcan el consumo energético.
Un enfoque innovador para la visualización de transformaciones
Hasta ahora, los científicos no habían podido observar directamente cómo se desarrollan estos cambios de fase en tiempo real. A menudo se asumía que los materiales eran homogéneos y perfectos, pero la realidad es que estos procesos son heterogéneos, con diferentes partes del material que cambian de manera distinta y en múltiples escalas de tiempo y longitud. Aaron Lindenberg, coautor del estudio y profesor en SLAC y la Universidad de Stanford, destacó que «parte del desafío es que estos procesos a menudo son heterogéneos».
El equipo de investigación utilizó un material compuesto de capas de titanato de plomo y titanato de estroncio, que se encuentra en un estado intermedio entre varias configuraciones. Al aplicar un pulso de luz, lograron activar una transición hacia una estructura cristalina denominada «supercristal». Los hallazgos fueron sorprendentes: el tiempo de transformación era hasta 100,000 veces más largo de lo que se había estimado anteriormente. Además, descubrieron que la transformación se producía de manera heterogénea, ligando el movimiento de los límites entre fases a esta prolongada escala temporal.
Utilizando el método «pump-probe», en el que se activa la transición con un pulso de luz visible (el «pump») y se rastrea la transformación con pulsos de rayos X (el «probe») en intervalos de tiempo variados, los investigadores obtuvieron un mapa detallado de cómo evolucionan las transiciones de fase. Este enfoque permitió analizar fenómenos a escalas que iban desde el nivel atómico hasta casi el diámetro de un cabello humano, algo que no había sido posible antes.
Los resultados abren nuevas posibilidades para investigar otros sistemas materiales y dispositivos. Lindenberg concluyó que «este enfoque nos permite visualizar y descubrir detalles que eran invisibles con métodos convencionales». Con esta técnica avanzada, se espera poder aplicar los conocimientos adquiridos para diseñar materiales que faciliten dispositivos de conmutación más rápidos y tecnologías de almacenamiento de información que operen con menor costo energético.
