Añadiendo energía a cualquier material, como calentándolo, casi siempre hace que su estructura sea menos ordenada. Hielo, por ejemplo, con su estructura cristalina, se derrite para convertirse en agua líquida, sin ningún orden en absoluto.

Pero en nuevos experimentos realizados por físicos en el MIT y en otros lugares, sucede lo contrario:cuando un patrón llamado onda de densidad de carga en un material determinado se golpea con un pulso láser rápido, Se crea una onda de densidad de carga completamente nueva:un estado altamente ordenado, en lugar del desorden esperado. El sorprendente hallazgo podría ayudar a revelar propiedades invisibles en materiales de todo tipo.

El descubrimiento se informa hoy en la revista. Física de la naturaleza , en un artículo de los profesores del MIT Nuh Gedik y Pablo Jarillo-Herrero, postdoctorado Anshul Kogar, estudiante de posgrado Alfred Zong, y otras 17 personas en el MIT, Universidad Harvard, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, Universidad Stanford, y Laboratorio Nacional Argonne.

Los experimentos hicieron uso de un material llamado tritelurida de lantano, que se forma naturalmente en una estructura en capas. En este material, un patrón ondulado de electrones en regiones de alta y baja densidad se forma espontáneamente pero está confinado a una sola dirección dentro del material. Pero cuando recibe un estallido ultrarrápido de luz láser, de menos de un picosegundo de duración, o menos de una billonésima de segundo, ese patrón, llamada onda de densidad de carga o CDW, está borrado, y un nuevo CDW, en ángulo recto con el original, aparece.

Esta nueva CDW perpendicular es algo que nunca antes se había observado en este material. Existe solo por un destello, desapareciendo en unos pocos picosegundos más. Mientras desaparece el original vuelve a aparecer, sugiriendo que su presencia había sido suprimida de alguna manera por la nueva.

Gedik explica que en materiales ordinarios, la densidad de electrones dentro del material es constante en todo su volumen, pero en ciertos materiales, cuando se enfrían por debajo de una temperatura específica, los electrones se organizan en un CDW con regiones alternas de alta y baja densidad de electrones. En tritelurida de lantano, o LaTe ₃ , el CDW está a lo largo de una dirección fija dentro del material. En las otras dos dimensiones, la densidad de electrones permanece constante, como en materiales ordinarios.

La versión perpendicular del CDW que aparece después del estallido de luz láser nunca antes se había observado en este material, Dice Gedik. "Solo parpadea brevemente, y luego se ha ido "Kogar dice, para ser reemplazado por el patrón CDW original que inmediatamente vuelve a aparecer.

Gedik señala que "esto es bastante inusual. En la mayoría de los casos, cuando agregas energía a un material, reduce el orden ".

"Es como si estos dos [tipos de CDW] estuvieran compitiendo:cuando aparece uno, el otro se va, "Dice Kogar." Creo que el concepto realmente importante aquí es la competición de fases ".

La idea de que dos posibles estados de la materia podrían estar en competencia y que el modo dominante suprime uno o más modos alternativos es bastante común en los materiales cuánticos. dicen los investigadores. Esto sugiere que puede haber estados latentes que acechan invisibles en muchos tipos de materia que podrían ser develados si se puede encontrar una manera de suprimir el estado dominante. Eso es lo que parece estar sucediendo en el caso de estos estados CDW competidores, que se consideran análogas a las estructuras cristalinas debido a lo predecible, patrones ordenados de sus componentes subatómicos.

Normalmente, todos los materiales estables se encuentran en sus estados de energía mínima, es decir, de todas las configuraciones posibles de sus átomos y moléculas, el material se asienta en el estado que requiere la menor cantidad de energía para mantenerse. Pero para una estructura química dada, puede haber otras configuraciones posibles que el material podría tener, excepto que son reprimidos por el dominante, estado de menor energía.

"Al eliminar ese estado dominante con luz, tal vez esos otros estados puedan realizarse, ", Dice Gedik. Y debido a que los nuevos estados aparecen y desaparecen tan rápidamente, "puedes encenderlos y apagarlos, "que puede resultar útil para algunas aplicaciones de procesamiento de información.

La posibilidad de que la supresión de otras fases pueda revelar propiedades materiales completamente nuevas abre muchas áreas nuevas de investigación, Dice Kogar. "El objetivo es encontrar fases de material que solo pueden existir fuera de equilibrio, "él dice, en otras palabras, afirma que nunca sería alcanzable sin un método, como este sistema de pulsos láser rápidos, para suprimir la fase dominante.

Gedik agrega que "normalmente, para cambiar la fase de un material intentas cambios químicos, o presión, o campos magnéticos. En este trabajo, estamos usando la luz para hacer estos cambios ".

Los nuevos hallazgos pueden ayudar a comprender mejor el papel de la competencia de fase en otros sistemas. Esto, a su vez, puede ayudar a responder preguntas como por qué ocurre la superconductividad en algunos materiales a temperaturas relativamente altas, y puede ayudar en la búsqueda para descubrir superconductores de temperaturas aún más altas. "¿Qué pasa si todo lo que necesita hacer es iluminar un material, y este nuevo estado llega a existir? "

El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, el programa Skoltech-MIT NGP, el Centro de Excitónica, y la Fundación Gordon y Betty Moore.