Moldear mediante láser la estructura atómica de un material

Dicho de modo simple, los materiales termoeléctricos convierten el calor en electricidad y viceversa, y sus estructuras atómicas están estrechamente relacionadas con su rendimiento. Ahora, unos científicos han descubierto cómo cambiar la estructura atómica de un material termoeléctrico muy eficiente, el seleniuro de estaño, mediante intensos pulsos de luz láser. Este hallazgo abre una nueva vía para mejorar los materiales termoeléctricos y otros mediante el control de su estructura, consiguiendo así crear materiales con nuevas y espectaculares propiedades, algunas de ellas inexistentes en la naturaleza.

El logro es obra del equipo de Yijing Huang, investigadora de la Universidad de Stanford en Estados Unidos. Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, de Estados Unidos.

El seleniuro de estaño que se emplea como material termoeléctrico consta de cristales individuales, que son relativamente baratos y fáciles de fabricar. Dado que dichos cristales tienen una forma regular, de cubo, también resultan bastante fáciles de manipular.

Para explorar cómo responden esos cristales a la luz, el equipo golpeó el seleniuro de estaño con intensos pulsos de luz láser de la banda del infrarrojo cercano, a fin de cambiar la estructura del material en la muestra. La luz excitó los electrones de los átomos de la muestra y desplazó las posiciones de algunos de ellos, distorsionando su disposición.

Los investigadores siguieron y midieron esos movimientos atómicos y los cambios resultantes en la estructura de los cristales. Para esas observaciones se valieron de pulsos del láser de electrones libres de rayos X de la LCLS (Linac Coherent Light Source), una fuente de luz también instalada en el SLAC. Estos pulsos láser son lo suficientemente rápidos como para captar cambios que se producen en apenas millonésimas de milmillonésima de segundo.

Una forma habitual de modificar la estructura atómica del seleniuro de estaño es aplicando calor, lo que cambia el material de una manera predecible y permite hacer que este material funcione mejor. Los autores del estudio creían al principio que la aplicación de luz láser produciría el mismo resultado que el calentamiento, o uno muy parecido.

Sin embargo, análisis minuciosos de los resultados de estos experimentos han acabado demostrando que los pulsos de láser del infrarrojo cercano hacen que el material adopte una estructura atómica enteramente diferente a lo que podría lograrse usando tan solo el calor.

Los investigadores cambiaron la estructura atómica de un material termoeléctrico de una manera única con pulsos de luz láser intensa, un método con potencial para crear nuevos materiales con propiedades que no se ven en la naturaleza. (Imagen: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Este material y los de su clase son un sistema en el que pequeños cambios pueden conducir a resultados muy diferentes, tal como enfatiza David Reis del SLAC. Además, todo apunta a que esta capacidad de producir estructuras completamente nuevas mediante la luz láser, estructuras que no ha sido posible lograr de ninguna otra manera, va mucho más allá de modificar materiales termoeléctricos.

Al respecto de esto último, un campo en el cual la nueva técnica láser podría ser muy útil es, tal como destaca Reis, el de la búsqueda de superconductores (materiales que conducen la electricidad sin pérdidas) que funcionen a temperatura ambiente o muy cerca de ella. Hace décadas que se intenta conseguir esto, sin éxito.

Huang, Reis y sus colegas exponen los detalles de su investigación en la revista académica Physical Review X, bajo el título “Observation of a Novel Lattice Instability in Ultrafast Photoexcited SnSe”. (Fuente: NCYT de Amazings)