En décadas recientes, las computadoras se han vuelto más rápidas y los discos duros y los chips de almacenamiento han alcanzado capacidades enormes. Pero esta tendencia no puede continuar para siempre. Los límites físicos impiden que la tecnología informática basada en silicio obtenga ganancias de velocidad adicionales. Los investigadores son optimistas de que la próxima era de avances tecnológicos comenzará con el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías de procesamiento de información que combinan circuitos eléctricos con ópticos. Usando pulsos de láser cortos, un equipo de investigación dirigido por Misha Ivanov del Instituto Max Born de Berlín, junto con científicos del Centro Cuántico Ruso en Moscú, ha arrojado luz sobre los procesos extremadamente rápidos que tienen lugar dentro de estos nuevos materiales. Sus resultados aparecen en Fotónica de la naturaleza .

De particular interés para la investigación de materiales moderna en física del estado sólido son los sistemas fuertemente correlacionados, que exhiben fuertes interacciones entre electrones. Los imanes son un buen ejemplo:los electrones en los imanes se alinean en una dirección preferida de giro dentro del material, produciendo el campo magnético. Pero hay otros órdenes estructurales completamente diferentes que merecen atención. Por ejemplo, en los denominados aislantes Mott, los electrones deben fluir libremente y, por lo tanto, los materiales deben poder conducir tanto la electricidad como los metales. Pero la interacción mutua entre electrones en estos materiales fuertemente correlacionados impide su flujo, y así los materiales se comportan en cambio como aislantes.

Al interrumpir este orden con un fuerte pulso láser, se puede hacer que las propiedades físicas cambien drásticamente. Esto se puede comparar con una transición de fase de sólido a líquido, cuando el hielo se derrite, por ejemplo, Los cristales de hielo rígidos se transforman en moléculas de agua que fluyen libremente. De manera muy similar, los electrones en un material fuertemente correlacionado se vuelven libres para fluir cuando un pulso de láser externo fuerza una transición de fase en su orden estructural. Dichas transiciones de fase deberían permitir a los investigadores desarrollar elementos de conmutación completamente nuevos para la electrónica de próxima generación que sean más rápidos y potencialmente más eficientes energéticamente que los transistores actuales. En teoria, las computadoras podrían hacerse alrededor de 1000 veces más rápidas "turboalimentando" sus componentes eléctricos con pulsos de luz.

El problema de estudiar estas transiciones de fase es que son extremadamente rápidas, y por lo tanto es muy difícil atraparlos en el acto. Los científicos han tenido que contentarse con caracterizar el estado de un material antes y después de una transición de fase de este tipo. Sin embargo, investigadores Rui E. F. Silva, Olga Smirnova, y Misha Ivanov del Instituto Max Born de Berlín ahora han ideado un método que, en el verdadero sentido, arrojar luz sobre el proceso. Su teoría implica disparar extremadamente corto, Pulsos de láser personalizados en un material:los pulsos solo ahora son posibles con la calidad adecuada a través de los últimos desarrollos en láseres. Observaron la reacción del material a estos pulsos para ver cómo los electrones en el material se excitan en movimiento, y, como una campana, Emiten vibraciones resonantes a frecuencias específicas como armónicos de la luz incidente.

"Al analizar este alto espectro armónico, podemos observar el cambio en el orden estructural en estos materiales fuertemente correlacionados en vivo por primera vez, ", dice el primer autor Rui Silva del Instituto Max Born. Las fuentes láser capaces de desencadenar con precisión estas transiciones son desarrollos recientes. Los pulsos láser deben ser lo suficientemente fuertes y extremadamente breves, del orden de femtosegundos de duración (millonésimas de mil millonésimas de segundo).

En algunos casos, solo se necesita una única oscilación de luz para interrumpir el orden electrónico de un material y convertir un aislante en un conductor similar al metal. Los científicos del Instituto Max Born de Berlín se encuentran entre los principales expertos del mundo en el campo de los pulsos láser ultracortos. "Si queremos usar la luz para controlar las propiedades de los electrones en un material, entonces necesitamos saber exactamente cómo reaccionarán los electrones a los pulsos de luz, "Explica Ivanov. Con las fuentes láser de última generación, que permiten un control total sobre el campo electromagnético incluso con una sola oscilación, el método recientemente publicado permitirá conocer en profundidad los materiales del futuro.