Un grupo de investigadores dirigido por Andrea Cavalleri en el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo ha demostrado un nuevo método que permite mediciones precisas de las fuerzas interatómicas que mantienen unidos los sólidos cristalinos. El artículo sondeando el potencial interatómico de los sólidos mediante fonónica no lineal de campo fuerte, publicado en línea en Naturaleza , explica cómo un pulso láser de frecuencia de terahercios puede generar deformaciones muy grandes del cristal. Midiendo las trayectorias atómicas altamente inusuales bajo transitorios electromagnéticos extremos, el grupo MPSD podría reconstruir qué tan rígidos son los enlaces atómicos a grandes distancias de los arreglos de equilibrio. Esto promete nuevos conocimientos sobre las propiedades mecánicas de la materia y su inestabilidad cerca de los cambios de fase.

Los cristales se mantienen unidos por fuerzas extremadamente fuertes, que determinan todas sus propiedades térmicas y mecánicas. La temperatura a la que un material específico se derrite o cambia de forma y la resistencia del material a la presión y las distorsiones por cizallamiento están determinadas por este "campo de fuerza". Es la base de cualquier descripción de libro de texto de un material y se calcula de forma rutinaria mediante métodos teóricos sofisticados. Todavía, hasta ahora ningún experimento podía validar cuantitativamente estos cálculos o al menos medir el campo de fuerza.

En un estudio reciente del grupo MPSD dirigido por Andrea Cavalleri, Se utilizaron destellos láser ultracortos en frecuencias de infrarrojo medio para alejar los átomos de su disposición de equilibrio. Midiendo cómo se hizo sonar los mismos átomos después de que se apagó el impulso, el grupo de investigación MPSD podría reconstruir la naturaleza de las fuerzas que mantienen unido el cristal.

"Usamos campos láser fuertes para conducir los átomos a desplazamientos donde su dinámica ya no puede describirse dentro de la aproximación armónica, "explica Alexander von Hoegen, Doctorado en el MPSD y primer autor de este trabajo. "En esta situación, las fuerzas restauradoras que actúan sobre los átomos ya no son lineales proporcionales a los desplazamientos desde las posiciones de equilibrio, como serían en el caso de pequeñas oscilaciones en un péndulo ".

Tal fonónica no lineal se manifiesta, por ejemplo, por el hecho de que los átomos no solo oscilan a su frecuencia natural, pero también en múltiples matices, los llamados armónicos superiores observados en este estudio.

Los correspondientes desplazamientos atómicos, enorme en la escala de las distancias interatómicas, son, sin embargo, sólo del orden de unos pocos picómetros, eso es una millonésima parte de una mil millonésima parte de un metro. Las vibraciones fueron rastreadas con un segundo, pulso láser aún más corto. Aunque se encontró que los átomos oscilaban con velocidades superiores a 1000 m / s, su movimiento se puede rastrear en cámara ultra lenta. Esta medición resuelta en el tiempo fue clave para reconstruir las fuerzas que actúan sobre los átomos.

Este trabajo del MPSD establece un nuevo tipo de espectroscopía no lineal que captura una de las propiedades microscópicas más fundamentales de los materiales. subrayando el poder de las nuevas fuentes ópticas avanzadas y allanando el camino hacia un futuro, clase de experimentos aún más perspicaces en el láser de electrones libres de rayos X de Hamburgo.