Element-specific ultrafast lattice dynamics in monolayer WSe2
Mediante la difracción de electrones ultrafast, el estudio revela vibraciones atómicas específicas de cada elemento en monocapas de WSe₂ para mapear la evolución no térmica de la red e identificar la sobrepoblación de fonones ópticos de larga duración como un mecanismo clave de transferencia de energía.
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Los materiales que tienen un solo átomo de espesor se han convertido en un foco principal de la ciencia moderna debido a que su extrema delgadez cambia su comportamiento. En estas hojas ultra delgadas, las reglas habituales de la materia macroscópica a menudo se rompen, permitiendo a los científicos crear nuevos tipos de dispositivos electrónicos. Un desafío clave al usar estos materiales es comprender cómo gestionan la energía. Cuando la luz incide sobre un material, excita a los electrones, que luego transfieren esa energía a los átomos que componen la estructura del material. Este proceso hace que los átomos vibren. Si los científicos pueden observar cómo ocurren estas vibraciones en tiempo real, pueden aprender cómo se mueve el calor a través del material y cómo controlarlo. Esto es crucial para construir la electrónica más rápida y eficiente que no se sobrecaliente.
Un equipo de investigadores en Alemania y Polonia ha dado un paso significativo en esta área mediante el estudio de un cristal específico de un átomo de espesor llamado diselenuro de tungsteno. Este material está compuesto por capas de átomos de tungsteno sándwich entre capas de átomos de selenio. Para entender cómo se mueve la energía a través de esta estructura, los científicos necesitaban una forma de ver el movimiento de los átomos de tungsteno y de los átomos de selenio por separado. En la mayoría de los experimentos, el movimiento de todos los átomos se desdibuja en un único promedio, lo que hace imposible distinguir qué parte de la estructura está haciendo qué. Los investigadores utilizaron una técnica llamada difracción de electrones ultrafast, que consiste en disparar un haz de electrones a la muestra después de impactarla con un pulso de luz. Los electrones se dispersan al chocar con los átomos, creando un patrón que revela cómo se mueven los átomos. Al analizar cientos de estos patrones con extrema precisión, el equipo logró separar las vibraciones de los pesados átomos de tungsteno de las de los más ligeros átomos de selenio, creando una visión clara y específica de cada elemento sobre el movimiento atómico.
El experimento reveló que los átomos no se calientan y se enfrían todos al mismo ritmo. En cambio, la transferencia de energía ocurre en tres etapas distintas. Inmediatamente después del pulso de luz, ambos tipos de átomos comienzan a vibrar con mayor vigor. Sin embargo, apenas unos pocos billonésimos de segundo después, sus comportamientos divergen. Los átomos de selenio continúan vibrando con una intensidad creciente, mientras que los átomos de tungsteno comienzan a calmarse repentinamente. Este comportamiento opuesto demuestra que el material se encuentra en un extraño estado no térmico donde las diferentes partes del cristal no están en equilibrio entre sí. Es como si un lado de una habitación se estuviera calentando mientras el otro se enfría, a pesar de que están conectados.
Al comparar estas observaciones con simulaciones por computadora de cómo se supone que deben vibrar los átomos, los investigadores identificaron exactamente qué tipos de vibraciones eran responsables. Descubrieron que la energía inicial de la luz creó vibraciones de alta energía que involucraban a ambos átomos. Estas pasaron rápidamente a vibraciones de menor energía que estaban dominadas casi por completo por el movimiento de los átomos de selenio. Este tipo específico de vibración permaneció sobrepoblado durante varios billonésimos de segundo, una duración sorprendentemente larga para un proceso tan rápido. Los investigadores sugieren que la energía se queda atrapada en estas vibraciones dominadas por el selenio durante un tiempo antes de que pueda avanzar.
Eventualmente, las vibraciones en ambos elementos comenzaron a disminuir y el material regresó a su estado normal. Los investigadores observaron que la energía no fluyó simplemente hacia el calor general del material, como se podría esperar. En su lugar, proponen dos explicaciones posibles sobre a dónde fue la energía. Una posibilidad es que las vibraciones transfirieran la energía directamente al sustrato, la membrana delgada que sostiene el cristal, desviando efectivamente el calor antes de que pudiera propagarse a través del material. La otra posibilidad es que la energía se moviera hacia vibraciones que se desplazan hacia arriba y hacia abajo, perpendicularmente a la hoja, que el experimento no pudo detectar. Los datos respaldan la idea de que el flujo de energía es complejo y no sigue un camino simple hacia el equilibrio térmico. Este descubrimiento sugiere que, en estos materiales ultra delgados, el calor puede gestionarse de nuevas maneras, quizás guiándolo a través de capas atómicas específicas o hacia tipos específicos de movimiento. La capacidad de observar cómo se mueven los átomos individuales en tiempo real abre una nueva ventana a cómo fluye la energía a las escalas más pequeñas, ofreciendo un camino más claro hacia el diseño de mejores materiales para la tecnología futura.
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