Cómo la luz conduce los electrones en los metales

09.08.2019 - Suiza

Los investigadores de ETH han medido cómo se redistribuyen los electrones en los metales de transición en fracciones de un ciclo de oscilación óptica. Los electrones se concentran alrededor de los átomos de metal en menos de un femtosegundo. Esta redistribución podría influir en importantes propiedades macroscópicas de compuestos con metales de transición, como la conductividad, la magnetización o las características ópticas, que podrían controlarse en las escalas de tiempo más cortas.

La distribución de los electrones en los metales de transición, que constituyen una gran parte de la tabla periódica de elementos químicos, es responsable de muchas de sus propiedades de interés para las aplicaciones. Las propiedades magnéticas de algunos representantes de este grupo de materiales se utilizan, por ejemplo, para el almacenamiento de datos, mientras que otros se caracterizan por su excelente conductividad eléctrica. Los metales de transición también desempeñan un papel crucial en materiales con propiedades más exóticas, que se basan en fuertes interacciones entre electrones y son prometedores para una serie de aplicaciones futuras.

En su experimento, cuyos resultados fueron publicados en la revista Nature Physics, Mikhail Volkov y sus colegas del grupo del Prof. Ursula Keller para la física del láser a corto plazo expusieron láminas delgadas de titanio y circonio a un pulso láser corto y observaron la redistribución de electrones en estos metales de transición a través de los cambios resultantes en las propiedades ópticas de los ultravioletas extremos (XUV). Para poder seguir los cambios inducidos con una resolución de tiempo suficientemente fina, utilizaron pulsos XUV con una duración de unos pocos cientos de attosegundos (10-18 s) para la medición. Una comparación con los modelos teóricos aportados por el grupo del Prof. Ángel Rubio en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo mostró que el cambio que ocurre en menos de un femtosegundo (10-15 s) se debe a una localización de los electrones alrededor de los átomos metálicos. La teoría también predice que en los metales de transición con capas atómicas exteriores más llenas, es de esperar un movimiento opuesto, es decir, la deslocalización de los electrones.

Control ultrarrápido de las propiedades de los metales

La distribución electrónica determina los campos eléctricos microscópicos de un material, que no sólo lo mantienen unido, sino que también determinan gran parte de sus propiedades macroscópicas. Cambiar la distribución de los electrones también influye en las propiedades del material. El experimento de Volkov et al. ha demostrado que esto es posible en escalas de tiempo mucho más cortas que el ciclo de oscilación de la luz visible (aproximadamente dos femtosegundos). Aún más importante es el hecho de que las escalas de tiempo son mucho más cortas que el llamado tiempo de termalización, dentro del cual los electrones destruirían cualquier efecto de tal control externo de la distribución de electrones al chocar entre sí y con la red cristalina.

Sorpresa inicial

El hecho de que el pulso del láser en titanio y circonio conduzca a una mayor localización de los electrones fue inicialmente sorprendente para los investigadores. Una tendencia general en la naturaleza es que cuando uno suministra más energía a los electrones unidos, éstos se localizan con menos fuerza. El análisis teórico, que apoya las observaciones de los experimentos, mostró que el aumento de la localización de la densidad de los electrones es un efecto neto, que resulta del relleno más fuerte de los d-orbitales de los átomos metálicos, que son característicos de los metales de transición y sólo parcialmente rellenados. Para los metales de transición que ya tienen más de d-orbitales semillenos - se pueden encontrar más a la derecha de la tabla periódica - el efecto neto es una deslocalización de la densidad de electrones.

En el camino hacia componentes electrónicos más rápidos

Mientras que el resultado ahora publicado es de naturaleza fundamental, los experimentos muestran la posibilidad de una modificación muy rápida de las propiedades del material. Estas modulaciones se utilizan en electrónica y optoelectrónica para procesar señales electrónicas o transmitir datos. Mientras que las corrientes de señal en componentes de corriente se modulan con frecuencias en el rango de gigahercios⁽¹⁰⁹ Hz), los resultados de Volkov et al. indican la posibilidad de procesamiento de señal en el rango de petahercios⁽¹⁰¹⁵ Hz). De este modo, los hallazgos básicos pueden influir en el desarrollo de las próximas generaciones de componentes cada vez más rápidos y, de este modo, encontrar indirectamente su camino en nuestra vida cotidiana.

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Publicación original

Volkov M, Sato SA, Schlaepfer F, Kasmi L, Hartmann N, Lucchini M, Gallmann L, Rubio A, Keller U; "Attosecond screening dynamics mediated by electron localization in transition metals"; Nature Physics; 2019.

https://www.quimica.es/noticias/1162303/como-la-luz-conduce-los-electrones-en-los-metales.html