La forma en que los materiales ordinarios experimentan un cambio de fase, como derretir o congelar, ha sido estudiado con gran detalle. Ahora, un equipo de investigadores ha observado que cuando desencadenan un cambio de fase mediante el uso de intensos pulsos de luz láser, en lugar de cambiar la temperatura, el proceso ocurre de manera muy diferente.

Los científicos habían sospechado durante mucho tiempo que este podría ser el caso, pero el proceso no ha sido observado y confirmado hasta ahora. Con este nuevo entendimiento, los investigadores pueden aprovechar el mecanismo para su uso en nuevos tipos de dispositivos optoelectrónicos.

Los hallazgos inusuales se informan hoy en la revista. Física de la naturaleza . El equipo estaba dirigido por Nuh Gedik, profesor de física en el MIT, con el estudiante de posgrado Alfred Zong, postdoctorado Anshul Kogar, y otras 16 personas en el MIT, Universidad Stanford, y el Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo (Skoltech) en Rusia.

Para este estudio, en lugar de utilizar un cristal real como el hielo, el equipo utilizó un análogo electrónico llamado onda de densidad de carga, una modulación de densidad de electrones congelada dentro de un sólido, que imita de cerca las características de un sólido cristalino.

Si bien el comportamiento de fusión típico en un material como el hielo se produce de manera relativamente uniforme a través del material, cuando la fusión es inducida en la onda de densidad de carga por pulsos láser ultrarrápidos, el proceso funcionó de manera bastante diferente. Los investigadores encontraron que durante la fusión inducida ópticamente, el cambio de fase procede generando muchas singularidades en el material, conocidos como defectos topológicos, y éstos, a su vez, afectan la dinámica resultante de los electrones y los átomos de la red en el material.

Estos defectos topológicos, Gedik explica, son análogos a pequeños vórtices, o remolinos, que surgen en líquidos como el agua. La clave para observar este proceso de fusión único fue el uso de un conjunto de técnicas de medición precisas y de alta velocidad para capturar el proceso en acción.

El pulso láser rápido, menos de un picosegundo de duración (billonésimas de segundo), simula el tipo de cambios rápidos de fase que se producen. Un ejemplo de una transición de fase rápida es el enfriamiento, como sumergir repentinamente un trozo de hierro al rojo vivo semiautomático en agua para enfriarlo casi instantáneamente. Este proceso difiere de la forma en que los materiales cambian a través del calentamiento o enfriamiento gradual, donde tienen tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio, es decir, alcanzar una temperatura uniforme en todo momento, en cada etapa del cambio de temperatura.

Si bien estos cambios de fase inducidos ópticamente se han observado antes, se desconocía el mecanismo exacto a través del cual procedían, Dice Gedik.

El equipo utilizó una combinación de tres técnicas, conocida como difracción de electrones ultrarrápida, reflectividad transitoria, y espectroscopía de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo, para observar simultáneamente la respuesta al pulso láser. Para su estudio, usaron un compuesto de lantano y telurio, LaTe3, que se sabe que alberga ondas de densidad de carga. Juntos, estos instrumentos permiten rastrear los movimientos de electrones y átomos dentro del material a medida que cambian y responden al pulso.

En los experimentos, Gedik dice:"nosotros podemos ver, y hacer una película de los electrones y los átomos a medida que la onda de densidad de carga se está derritiendo, "y luego continuar observando cómo la estructura ordenada se vuelve a solidificar. Los investigadores pudieron observar y confirmar claramente la existencia de estos defectos topológicos similares a vórtices".

También encontraron que el tiempo para resolidificar, que implica la disolución de estos defectos, no es uniforme, pero tiene lugar en múltiples escalas de tiempo. La intensidad, o amplitud, de la onda de densidad de carga se recupera mucho más rápidamente que el orden de la red. Esta observación solo fue posible con el conjunto de técnicas de resolución temporal utilizadas en el estudio, y cada uno brinda una perspectiva única.

Zong dice que un próximo paso en la investigación será tratar de determinar cómo pueden "diseñar estos defectos de manera controlada". Potencialmente, que podría usarse como un sistema de almacenamiento de datos, "utilizando estos pulsos de luz para escribir defectos en el sistema, y luego otro pulso para borrarlos ".