Una extraña fase de la materia que antes existía puramente en el ámbito de la teoría finalmente se ha detectado en un material real.
Se conoce como fase vítrea de Bragg: una disposición extraña y aparentemente paradójica de átomos en un material de vidrio donde las partículas están casi tan ordenadas como las de un cristal perfecto. Los científicos ni siquiera estaban seguros de que existiera vidrio de Bragg, pero ahí estaba, escondido en una aleación de paladio insertada entre capas de terbio y telurio (PdXErTe3).
El descubrimiento, dirigido por el físico Krishnanand Mallayya de la Universidad de Cornell y publicado en Física de la naturalezano sólo arroja luz sobre la forma en que se pueden comportar los materiales, sino que demuestra un nuevo y poderoso conjunto de técnicas para sondear las estructuras atómicas de materiales exóticos.
Las fases en cuestión tienen que ver con la forma en que están dispuestos los átomos y las moléculas. Una fase ordenada de largo alcance es aquella en la que las moléculas de un sólido cristalino están dispuestas en un patrón tridimensional, geométrico y ordenado. Una fase desordenada es aquella en la que los átomos que la componen están todos mezclados. Los líquidos están desordenados de esta manera, pero también lo están algunos sólidos. como el vidrio.
Entre estos arreglos, los físicos predijeron la existencia de una tercera fase. Eso es vidrio Bragg.
Mallayya y su equipo pensaron que podrían encontrarlo en un material que contiene un onda de densidad de carga (CDW), un fenómeno comúnmente encontrado en materiales bidimensionales que describe la modulación periódica de la densidad de carga de un material. Piense en ello como una “onda” en la forma en que se distribuyen los electrones.
Para cada una de las tres fases, el CDW se comporta de manera diferente. Para una fase ordenada de largo alcance, la CDW se correlaciona con la estructura del material y continúa indefinidamente. En un estado desordenado, se descompone en una distancia finita. En el caso del vidrio de Bragg, la correlación se rompe, pero más lentamente y en una distancia más larga que el estado desordenado, y sólo parece desaparecer a distancias infinitas.
“El reto,” dice el físico Eun-Ah Kim de la Universidad de Cornell, “está detectando estas distinciones a partir de datos experimentales que también reflejan problemas de la vida real como el ruido y la resolución finita de la configuración experimental”.
Detectar la fase requirió mucho trabajo. Primero estaba el material; PDXErTe3 fue estudiado cuidadosamente por científicos de SLAC y Stanford muchos años atrásy los investigadores determinaron que sería adecuado para sus propósitos.
Para investigar la estructura del material, los investigadores enviaron sus muestras al Laboratorio Nacional de Argonne. Allí, el PDXErTe3 fue bombardeado con rayos X para medir la forma en que la luz se difractaba en el interior del material.
Finalmente, para analizar minuciosamente y analizar la gran cantidad de datos de difracción de rayos X, los investigadores utilizaron una herramienta de análisis de datos de aprendizaje automático llamada X-ray Temperature Clustering (X-TEC). Esto les permitió sondear miles de picos de CDW: “la primera vez que se analizaron las fluctuaciones de CDW a partir de más de un puñado de picos”. los investigadores señalan.
A partir de la asimetría del pico CDW, Mallayya y su equipo afirman haber identificado finalmente la existencia de la fase vítrea de Bragg, confirmando experimentalmente su existencia en el mundo real. Esto representa un avance significativo en la comprensión de esta fase difícil de alcanzar.
Además de confirmar los modelos existentes, sus técnicas también deberían resultar útiles para futuras investigaciones: la herramienta X-TEC pudo extraer características de los datos con gran precisión y a un ritmo elevado, lo que promete muchos descubrimientos futuros.
“Utilizando herramientas de aprendizaje automático y perspectivas científicas de datos, podemos abordar preguntas desafiantes y rastrear firmas sutiles a través de un análisis de datos integral”. kim dice.
Los hallazgos del equipo han sido publicados en Física de la naturaleza.