Ultrafast X-ray sonography reveals the spatial heterogeneity of the laser-induced magneto-structural phase transition in FeRh

A matéria frequentemente existe em diferentes estados, como a água como gelo, líquido ou vapor. Quando um material muda de um estado para outro, raramente é uma mudança simples e uniforme que acontece em todos os lugares ao mesmo tempo. Em vez disso, a transformação geralmente começa em pequenos bolsões espalhados que crescem e se fundem, criando uma paisagem complexa e fragmentada de fases antigas e novas. Compreender exatamente como esses bolsões se formam e onde eles aparecem é crucial para projetar dispositivos eletrônicos mais rápidos e eficientes, mas observar esse processo se desenrolar em tempo real tem sido como tentar ver os fios individuais de uma tapeçaria enquanto se está longe demais. Os cientistas há muito conseguem rastrear o tempo dessas mudanças com uma velocidade incrível, medindo eventos que acontecem em um trilhonésimo de segundo, mas têm tido dificuldades para ver os detalhes espaciais de onde a nova fase começa e como ela se espalha pelo material.

Uma equipe de pesquisadores desenvolveu agora uma maneira de ver essa paisagem oculta com clareza sem precedentes, usando uma técnica que chamam de sonografia de raios X ultrarrápida. Ao combinar instantâneos de raios X de alta velocidade com ondas sonoras viajando através de um material, eles mapearam exatamente como uma liga metálica específica, conhecida como FeRh, muda sua natureza magnética. Eles descobriram que, quando este material é atingido por um pulso de laser, o novo estado magnético não aparece como uma camada plana se espalhando uniformemente pela superfície, nem começa no fundo do material. Em vez disso, ele nucleia na própria superfície superior, crescendo para baixo no material como milhares de colunas minúsculas e estreitas, cada uma com cerca de 30 nanômetros de largura. Esta descoberta resolve um enigma de longa data na comunidade científica, onde diferentes experimentos sugeriam imagens conflitantes de como a transição ocorria, e fornece uma nova e poderosa ferramenta para observar como os materiais mudam sua estrutura num piscar de olhos.

O material no centro deste estudo é uma liga de ferro e ródio que se encontra em um equilíbrio delicado. Em temperatura ambiente, é antiferromagnética, o que significa que seus spins internos estão arranjados em um padrão que se cancela, deixando o material sem uma atração magnética geral. Quando aquecido, ou neste caso, quando atingido por um pulso de laser, ele sofre uma mudança dramática para se tornar ferromagnético, onde os spins se alinham na mesma direção, transformando o material em um ímã. Esta mudança é acompanhada por uma expansão física da estrutura cristalina do material, uma mudança que os pesquisadores usaram como uma chave para desbloquear o mistério de como a transição acontece. Embora experimentos anteriores pudessem dizer o quanto do material havia mudado ao longo do tempo, eles não podiam dizer onde a mudança estava acontecendo ou qual forma as novas regiões magnéticas tomavam.

Para resolver isso, os pesquisadores usaram um truque inteligente envolvendo o som. Quando o pulso de laser atinge o material, ele não apenas desencadeia a mudança magnética, mas também lança um pulso de som, ou uma onda de deformação, que viaja através do material como uma ondulação em um lago. Esta onda sonora temporariamente aperta e estica o material conforme se move. Como a nova fase magnética expande a estrutura do material, ela reage a esta onda sonora de forma diferente da fase antiga. Ao disparar raios X ultrarrápidos no material em momentos precisos após o impacto do laser, a equipe pôde observar como os padrões de raios X se deslocaram em resposta à passagem da onda sonora. Esses deslocamentos atuaram como um sinal de sonar, revelando a profundidade e a forma das novas regiões magnéticas conforme a onda sonora passava por elas.

Os resultados pintaram um quadro muito específico da transformação. Os dados descartaram a ideia de que a nova fase magnética se formou como uma camada plana espalhando-se por toda a superfície, ou que começou no fundo do material e se moveu para fora. Em vez disso, a sonografia de raios X mostrou que a nova fase apareceu como colunas verticais distintas começando na superfície. Estas colunas são incrivelmente estreitas, com um diâmetro de aproximadamente 30 nanômetros, o que é cerca do tamanho dos minúsculos grãos de cristal que compõem o próprio filme metálico. À medida que o pulso de laser continua a impulsionar o processo, estas colunas crescem mais profundamente no material, eventualmente fundindo-se para formar uma camada magnética contínua. Os pesquisadores descobriram que este crescimento colunar acontece muito rapidamente, com a formação inicial ocorrendo em apenas 8 picossegundos, uma escala de tempo que é uma fração de um bilionésimo de segundo.

Esta descoberta é significativa porque explica por que experimentos anteriores produziram resultados tão diferentes. Algumas medições, que faziam a média das propriedades de toda a amostra, sugeriam uma mudança uniforme, enquanto outras sugeriam um comportamento mais complexo. A nova técnica mostrou que a verdade reside no arranjo espacial: o material está mudando de uma forma altamente heterogênea, com a nova fase existindo nestas colunas estreitas e isoladas antes de se conectarem. Os pesquisadores confirmaram este padrão testando diferentes intensidades do pulso de laser. Quando o pulso era forte o suficiente para superar a barreira de energia para a transição em toda a superfície, as colunas se formavam e se fundiam rapidamente. Quando o pulso era mais fraco, a mudança permanecia irregular, ocorrendo apenas nos pontos onde o material era mais fácil de transformar, confirmando ainda mais que o processo é impulsionado pela estrutura local do material.

A capacidade de ver estes detalhes abre uma nova janela para o comportamento de materiais que mudam suas propriedades rapidamente. A técnica usada aqui, a sonografia de raios X ultrarrápida, não se limita a esta liga metálica específica. Porque ela se baseia na forma fundamental como as ondas sonoras interagem com diferentes fases estruturais, pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais que passam por mudanças semelhantes. Este método permite que os cientistas observem o nascimento de novas fases em tempo real, distinguindo entre diferentes tipos de crescimento e identificando as dimensões precisas das regiões em mudança sem a necessidade de preparar a amostra de nenhuma forma especial. Ao revelar a geometria oculta destas transições, o trabalho fornece uma base mais clara para entender como os materiais se comportam sob condições extremas, o que é essencial para o desenvolvimento da próxima geração de tecnologias de computação de alta velocidade e armazenamento de dados.