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Pesquisadores mudaram a estrutura atômica de um material termoelétrico de uma forma única com pulsos de luz laser intensa – um método com potencial para criar novos materiais com propriedades dramáticas que não são vistas na natureza. Eles foram capazes de rastrear e medir os movimentos atômicos em uma escala de tempo de femtossegundos com o laser de elétrons livres de raios X Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Experimentos com laser de raios-X mostram que a luz intensa distorce a estrutura de um material termoelétrico de uma maneira única, abrindo um novo caminho para controlar as propriedades dos materiais.
Materiais termoelétricos convertem calor em eletricidade e vice-versa, e suas estruturas atômicas estão intimamente relacionadas ao seu desempenho.
Agora, os pesquisadores descobriram como alterar a estrutura atômica de um material termoelétrico altamente eficiente, o seleneto de estanho, com pulsos intensos de luz laser. Este resultado abre uma nova maneira de melhorar os termoelétricos e uma série de outros materiais, controlando sua estrutura, criando materiais com novas propriedades dramáticas que podem não existir na natureza.
“Para esta classe de materiais, isso é extremamente importante, porque suas propriedades funcionais estão associadas à sua estrutura”, disse Yijing Huang, estudante de pós-graduação da Universidade de Stanford que desempenhou um papel importante nos experimentos do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia. “Ao mudar a natureza da luz que você coloca, você pode adaptar a natureza do material que você cria.”
Os experimentos ocorreram no laser de elétrons livres de raios X do SLAC, o Linac Coherent Light Source (LCLS). Os resultados foram relatados em 14 de fevereiro de 2022, na Physical Review X e serão destacados em uma coleção especial dedicada à ciência ultrarrápida.
Calor versus luz
Como as termoelétricas convertem o calor residual em eletricidade, elas são consideradas uma forma de energia verde. Geradores termoelétricos forneceram eletricidade para o projeto Apollo de pouso na lua, e os pesquisadores estão buscando maneiras de usá-los para converter o calor do corpo humano em eletricidade para carregar aparelhos, entre outras coisas. Funcionando ao contrário, eles criam um gradiente de calor que pode ser usado para resfriar o vinho em geladeiras sem partes móveis.
O seleneto de estanho é considerado um dos materiais termoelétricos mais promissores que são cultivados como cristais individuais, relativamente baratos e fáceis de fabricar. Ao contrário de muitos outros materiais termoelétricos, o seleneto de estanho não contém chumbo, disse Huang, e é um conversor de calor muito mais eficiente. Uma vez que consiste em cristais regulares em forma de cubo, semelhantes aos do sal-gema, também é relativamente fácil de fazer e mexer.
Para explorar como esses cristais respondem à luz, a equipe atingiu o seleneto de estanho com pulsos intensos de luz laser infravermelha para alterar sua estrutura. A luz excitou elétrons nos átomos da amostra e mudou as posições de alguns desses átomos, distorcendo seu arranjo.
Uma ilustração mostra como a estrutura atômica do seleneto de estanho, um material cristalino que pode converter calor em eletricidade, muda quando exposto ao calor ou à luz laser ultrarrápida. A estrutura no meio está à temperatura ambiente. O aquecimento (esquerda) move os átomos de cima e de baixo um pouco mais para a esquerda, deste ponto de vista, e sutilmente desloca alguns dos outros átomos. Os cientistas pensaram que expor o material à luz laser ultrarrápida faria a mesma coisa; em vez disso, seus átomos mudaram de novas maneiras (à direita). O laser de elétrons livres de raios X do SLAC, LCLS, permitiu que os pesquisadores vissem esses movimentos atômicos e distorções estruturais pela primeira vez, abrindo um novo caminho para adaptar materiais com luz. Crédito: Yijing Huang/Universidade de Stanford
Em seguida, os pesquisadores rastrearam e mediram esses movimentos atômicos e as mudanças resultantes na estrutura dos cristais com pulsos de luz laser de raios-X do LCLS, que são rápidos o suficiente para capturar mudanças que acontecem em apenas milionésimos de bilionésimos de segundo.
“Você precisa dos pulsos ultrarrápidos e da resolução atômica que o LCLS nos dá para reconstruir onde os átomos estão se movendo”, disse o coautor do estudo David Reis, professor do SLAC e Stanford e diretor do Stanford PULSE Institute. “Sem isso, teríamos entendido a história errada.”
Um resultado surpreendente
Esse resultado foi bastante inesperado e, quando Huang contou ao resto da equipe o que havia visto nos experimentos, eles tiveram dificuldade em acreditar nela.
Uma maneira testada e comprovada de alterar a estrutura atômica do seleneto de estanho é aplicar calor, o que altera o material de maneira previsível e, na verdade, faz com que esse material em particular tenha um desempenho melhor. A sabedoria convencional era que a aplicação de luz laser produziria praticamente o mesmo resultado que o aquecimento.
Esta ilustração de dados de experimentos com o laser de elétrons livres de raios X do SLAC mostra como os átomos de um material termoelétrico chamado seleneto de estanho se moveram (setas vermelhas) de suas posições de temperatura ambiente quando expostos à luz laser ultrarrápida. Círculos roxos representam átomos de selênio e círculos verdes são átomos de estanho. Os cientistas pensavam que o calor e a luz teriam o mesmo efeito, então esse resultado foi uma surpresa. O estudo demonstra um novo caminho para moldar as estruturas e propriedades relacionadas de materiais com luz. Crédito: Yijing Huang/Universidade de Stanford
“Isso é o que inicialmente pensamos que aconteceria”, disse o cientista da equipe do SLAC, Mariano Trigo, pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC.
“Mas depois de quase dois anos de discussão, Yijing finalmente convenceu o resto da equipe de que não, estávamos direcionando o material para uma estrutura totalmente diferente. Acho que esse resultado vai contra a intuição da maioria das pessoas sobre o que acontece quando você excita elétrons para níveis de energia mais altos.”
Cálculos teóricos de Shan Yang, estudante de pós-graduação da Duke University, confirmaram que essa interpretação dos dados experimentais era a correta.
“Este material e sua classe são certamente muito interessantes, porque é um sistema onde pequenas mudanças podem levar a resultados muito diferentes”, disse Reis. “Mas a capacidade de fazer estruturas inteiramente novas com luz – estruturas que não sabemos como fazer de outra maneira – é presumivelmente mais universal do que isso.”
Uma área em que pode ser útil, acrescentou, é na busca de décadas para fabricar supercondutores – materiais que conduzem eletricidade sem perda – que operam perto da temperatura ambiente.
Referência: “Observation of a Novel Lattice Instability in Ultrafast Photoexcited SnSe” por Yijing Huang, Shan Yang, Samuel Teitelbaum, Gilberto De la Peña, Takahiro Sato, Matthieu Chollet, Diling Zhu, Jennifer L. Niedziela, Dipanshu Bansal, Andrew F. May , Aaron M. Lindenberg, Olivier Delaire, David A. Reis e Mariano Trigo, 14 de fevereiro de 2022, Physical Review X .
DOI: 10.1103/PhysRevX.12.011029
Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do DOE também contribuíram para o estudo, que foi financiado pelo DOE Office of Science. O trabalho preliminar foi realizado no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC. SSL e LCLS são instalações de usuários do DOE Office of Science.
