Las transiciones de fase son una pieza fundamental de la física y la química. Todos estamos familiarizados con las diferentes fases del agua, por ejemplo, pero esta idea de un sistema de partículas que cambia su apariencia y cómo se comporta es realmente omnipresente en la ciencia. Y aunque sabemos el resultado de que el agua se convierta en hielo, el proceso preciso conduce a muchos tipos diferentes de hielo:a veces el hielo es transparente y otras no, y la diferencia tiene que ver con cómo se congela. Por lo tanto, estudiar cómo ocurre una transición de fase nos dice mucho sobre la física fundamental, y sobre las fases resultantes en ambos lados.

A nivel de física cuántica, se aplica la misma idea. Podemos ver el cambio de un sistema de un estado a otro a medida que cambiamos lentamente la temperatura a través de la temperatura crítica; por ejemplo, podemos ver que el material se endurece, al igual que podemos ver cómo se forma el hielo. Pero no vemos los detalles a nivel atómico a medida que ocurren. En este trabajo, pudimos superar eso y abrir una ventana sobre cómo los átomos se reorganizan de una fase del sistema a otra en escalas de tiempo atómicas (picosegundos).

En este trabajo en particular, estudiamos cete ₃ . Es parte de una clase más amplia de materiales, los tri-telururos de tierras raras. Si miras su estructura atómica a altas temperaturas, este material está construido como una red apilada de cuadrados. A medida que la temperatura disminuye, los cuadrados se convierten en rectángulos. Hay dos direcciones en las que esto puede suceder (llamémoslas A y B), pero el material solo elige uno. Cuál depende de la casualidad:tensiones y tensiones locales en el material causadas por defectos.

En el experimento, utilizamos pulsos de láser ultracortos e intensos para sacar brevemente el sistema de su estado de rectángulo "A" y observamos cómo intentaba reformarse. Dado que no hay una fuerza impulsora particularmente fuerte hacia ninguno de los estados del rectángulo, el sistema formaba rectángulos A y B. Como uno de los rectángulos (en escalas de tiempo atómicas de picosegundos) domina al otro, quedan pequeños charcos del estado "incorrecto", que son difíciles de eliminar y duran nanosegundos (100 veces más).

Estos resultados nos informan sobre aspectos fundamentales de cómo ocurren los cambios de fase, cómo varias partes de los materiales "hablan" entre sí para alinear sus átomos de modo que los patrones coincidan, y cuál es el panorama energético en el que ocurre todo esto.

Cuando sabemos qué está sucediendo con los materiales cuánticos y cómo cambian su estado a nivel atómico, podemos utilizar ese conocimiento para desarrollar nuevos y mejores dispositivos, como las máquinas de resonancia magnética, y mejor memoria de computadora.