El desarrollo de la fotografía con flash estroboscópico de alta velocidad en la década de 1960 por parte del difunto profesor del MIT Harold "Doc" Edgerton nos permitió visualizar eventos demasiado rápidos para el ojo:una bala que atraviesa una manzana o una gota que golpea un charco de leche.

Ahora, mediante el uso de un conjunto de herramientas espectroscópicas avanzadas, los científicos del MIT y la Universidad de Texas en Austin han capturado por primera vez instantáneas de una fase metaestable inducida por la luz oculta del universo en equilibrio. Mediante el uso de técnicas de espectroscopia de disparo único en un cristal 2D con modulaciones de densidad electrónica a nanoescala, pudieron ver esta transición en tiempo real.

"Con este trabajo, mostramos el nacimiento y la evolución de una fase cuántica oculta inducida por un pulso láser ultracorto en un cristal modulado electrónicamente", dice Frank Gao Ph.D. '22, coautor principal de un artículo sobre el trabajo que actualmente es postdoctorado en UT Austin.

"Por lo general, hacer brillar los láseres en los materiales es lo mismo que calentarlos, pero no en este caso", agrega Zhuquan Zhang, coautor principal y actual estudiante graduado en química del MIT. "Aquí, la irradiación del cristal reorganiza el orden electrónico, creando una fase completamente nueva diferente de la de alta temperatura".

Hoy se publicó un artículo sobre esta investigación en Science Advances . El proyecto fue coordinado conjuntamente por Keith A. Nelson, profesor de química Haslam and Dewey en el MIT, y por Edoardo Baldini, profesor asistente de física en UT-Austin.

Espectáculos de láser

"Comprender el origen de tales fases cuánticas metaestables es importante para abordar preguntas fundamentales de larga data en la termodinámica sin equilibrio", dice Nelson.

"La clave de este resultado fue el desarrollo de un método láser de última generación que puede 'hacer películas' de procesos irreversibles en materiales cuánticos con una resolución de tiempo de 100 femtosegundos". agrega Baldini.

El material, disulfuro de tantalio, consta de capas unidas covalentemente de átomos de tantalio y azufre apilados uno encima del otro. Por debajo de una temperatura crítica, los átomos y electrones del material forman estructuras de "Estrella de David" a nanoescala, una distribución no convencional de electrones conocida como "onda de densidad de carga".

La formación de esta nueva fase hace que el material sea un aislante, pero un solo pulso de luz intensa que brilla empuja el material hacia un metal oculto metaestable. “Es un estado cuántico transitorio congelado en el tiempo”, dice Baldini. "La gente ha observado esta fase oculta inducida por la luz antes, pero aún se desconocen los procesos cuánticos ultrarrápidos detrás de su génesis".

Nelson agrega:"Uno de los desafíos clave es que observar una transformación ultrarrápida de una orden electrónica a una que puede persistir indefinidamente no es práctico con las técnicas convencionales resueltas en el tiempo".

Pulsos de conocimiento

Los investigadores desarrollaron un método único que implicaba dividir un solo pulso de láser de sonda en varios cientos de pulsos de sonda distintos que llegaban a la muestra en diferentes momentos antes y después de que el cambio fuera iniciado por un pulso de excitación ultrarrápido separado. Al medir los cambios en cada uno de estos pulsos de sonda después de que se reflejaron o transmitieron a través de la muestra y luego encadenaron los resultados de la medición como cuadros individuales, pudieron construir una película que proporciona información microscópica sobre los mecanismos a través de los cuales ocurren las transformaciones.

Al capturar la dinámica de esta transformación de fase compleja en una medición de un solo disparo, los autores demostraron que la fusión y el reordenamiento de la onda de densidad de carga conducen a la formación del estado oculto. Los cálculos teóricos realizados por Zhiyuan Sun, un posdoctorado del Instituto Cuántico de Harvard, confirmaron esta interpretación.

Si bien este estudio se llevó a cabo con un material específico, los investigadores dicen que ahora se puede usar la misma metodología para estudiar otros fenómenos exóticos en materiales cuánticos. Este descubrimiento también puede ayudar con el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos con fotorrespuestas bajo demanda. + Explora más

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Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.