La mayoría de la gente piensa que el agua existe solo en una de tres fases:hielo sólido, Agua líquida, o vapor de gas. Pero la materia puede existir en muchas fases diferentes:hielo, por ejemplo, tiene más de diez fases conocidas, o formas en que sus átomos se pueden organizar espacialmente. El uso generalizado de materiales piezoeléctricos, como micrófonos y ultrasonido, es posible gracias a una comprensión fundamental de cómo una fuerza externa, como la presión, temperatura, o electricidad, puede conducir a transiciones de fase que imbuyen a los materiales con nuevas propiedades.

Un nuevo estudio encuentra que un óxido metálico tiene una fase "oculta", uno que le da nuevo al material, propiedades ferroeléctricas, la capacidad de separar cargas positivas y negativas, cuando es activado por pulsos de luz extremadamente rápidos. La investigación fue dirigida por los investigadores del MIT Keith A. Nelson, Xian Li, y Edoardo Baldini, en colaboración con los estudiantes graduados de Andrew M. Rappe y Penn Tian Qiu y Jiahao Zhang. Los hallazgos fueron publicados en Ciencias .

Su trabajo abre la puerta a la creación de materiales donde uno puede activar y desactivar propiedades en una billonésima de segundo con solo presionar un interruptor. ahora con mucho mejor control. Además de cambiar el potencial eléctrico, este enfoque podría usarse para cambiar otros aspectos de los materiales existentes:convertir un aislante en un metal o cambiar su polaridad magnética, por ejemplo.

"Está abriendo un nuevo horizonte para una rápida reconfiguración funcional del material, "dice Rappe.

El grupo estudió titanato de estroncio, un material paraeléctrico utilizado en instrumentos ópticos, condensadores, y resistencias. El titanato de estroncio tiene una estructura cristalina simétrica y apolar que se puede "empujar" a una fase con una polar, estructura tetragonal con un par de iones de carga opuesta a lo largo de su eje longitudinal.

La colaboración previa de Nelson y Rappe proporcionó la base teórica para este nuevo estudio, que se basó en la experiencia de Nelson en el uso de la luz para inducir transiciones de fase en materiales sólidos junto con el conocimiento de Rappe en el desarrollo de modelos informáticos a nivel atómico.

"[Nelson es] el experimentalista, y somos los teóricos, ", dice Rappe." Puede informar de lo que cree que está sucediendo en función de los espectros, pero la interpretación es especulativa hasta que proporcionemos una sólida comprensión física de lo que sucedió ".

Con las recientes mejoras en la tecnología y el conocimiento adicional obtenido al trabajar con frecuencias de terahercios, los dos químicos se dispusieron a ver si su teoría, ahora tiene más de una década, se mantuvo cierto. El desafío de Rappe fue complementar los experimentos de Nelson con una versión precisa generada por computadora de titanato de estroncio, con cada átomo rastreado y representado, que responde a la luz de la misma manera que el material que se está probando en el laboratorio.

Descubrieron que cuando el titanato de estroncio se excita con la luz, los iones se tiran en diferentes direcciones, con iones cargados positivamente moviéndose en una dirección e iones cargados negativamente en la otra. Luego, en lugar de que los iones vuelvan a caer inmediatamente en su lugar, como lo haría un péndulo después de haber sido empujado, Los movimientos vibratorios inducidos en los otros átomos evitan que los iones vuelvan inmediatamente.

Es como si el péndulo en el momento en que alcanza la altura máxima de su oscilación, se desvía ligeramente de su curso donde una pequeña muesca lo mantiene en su lugar lejos de su posición inicial.

Gracias a su sólida trayectoria de colaboración, Nelson y Rappe pudieron ir y venir de las simulaciones teóricas a los experimentos, y viceversa, hasta que encontraron evidencia experimental que demostró que su teoría era cierta.

"Ha sido una colaboración realmente asombrosa, ", dice Nelson." E ilustra cómo las ideas pueden hervir a fuego lento y luego regresar con toda su fuerza después de más de 10 años ".

Los dos químicos colaborarán con ingenieros en futuras investigaciones impulsadas por aplicaciones, como crear nuevos materiales que tienen fases ocultas, cambiar los protocolos de pulso de luz para crear fases más duraderas, y ver cómo funciona este enfoque para los nanomateriales. Por ahora, Ambos investigadores están entusiasmados con sus resultados y adónde podría conducir este avance fundamental en el futuro.

"Es el sueño de todo científico:idear una idea junto con un amigo, para trazar la consecuencia de esa idea, luego tener la oportunidad de traducirlo en algo en el laboratorio, es extremadamente gratificante. Nos hace pensar que estamos en el camino correcto hacia el futuro, "dice Rappe.