La luz láser puede cambiar radicalmente las propiedades de los materiales sólidos, haciéndolos superconductores o magnéticos en millonésimas de mil millonésimas de segundo. La luz intensa provoca cambios fundamentales e inmediatos en un sólido al "sacudir" su estructura de red atómica y mover los electrones. Pero, ¿qué está pasando exactamente en ese nivel elemental? ¿Cómo se mueven realmente esos átomos y electrones?

Ahora, un equipo teórico del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo ha encontrado una nueva forma de iluminar esos movimientos atómicos. Escribiendo en PNAS, los investigadores describen cómo un pulso láser genera emisión de luz a frecuencias más altas del material, los llamados armónicos superiores. Esta luz de alta energía, sin embargo, no permanece igual sino que cambia con cada movimiento de la red. A medida que los armónicos altos cambian de intensidad, proporcionan "instantáneas" de los movimientos de los átomos y los electrones en cada momento exacto.

El equipo estudió una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN) de un solo átomo de espesor, cuya red se puede excitar para que vibre en escalas de tiempo de decenas de femtosegundos. Un primer pulso láser de "bomba" golpea el material, haciendo que los átomos se muevan al unísono. Posteriormente, un segundo pulso de láser infrarrojo excita aún más los electrones, de modo que provocan la emisión de luz a nuevas frecuencias:los armónicos altos. Estos contienen la información subyacente sobre las vibraciones de la red (también conocidas como fonones). Al analizarlos, los científicos obtienen nuevos conocimientos detallados sobre esos movimientos atómicos.

Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences , los hallazgos del equipo representan un gran paso adelante en la comprensión de los cambios fundamentales en un material sólido mientras es irradiado por un láser intenso. También es un método muy eficiente porque hasta ahora los investigadores necesitaban fuentes de luz mucho más avanzadas para observar esos movimientos elementales.

Además, el equipo demostró que, una vez que los átomos comienzan a vibrar, la interacción entre el material y el pulso láser inicial cambia con la fase del propio láser. Esto significa que los científicos pueden identificar exactamente qué movimiento en la red fue provocado por qué fase en el ciclo óptico del láser, como si estuvieran ajustando un cronómetro a ese momento en particular. Dicho de otra manera:el trabajo del equipo ha producido una técnica espectroscópica muy avanzada con una resolución temporal extrema. Dentro de este enfoque, los movimientos de la red se pueden trazar hasta un solo femtosegundo, pero sin la necesidad de rayos X de alta energía o pulsos de attosegundos, que son mucho más difíciles de emplear.

"El principal impacto de este trabajo es que estamos formando un punto de partida para comprender cómo los fonones juegan un papel en las interacciones no lineales de materia ligera", dice el autor principal, Ofer Neufeld, del Departamento de Teoría de MPSD. "Este enfoque nos permite investigar la dinámica estructural de femtosegundos en sólidos, incluidas las transiciones de fase, las fases revestidas de la materia y también el acoplamiento entre electrones y fonones". + Explora más

Electrones de alta energía sincronizados con un pulso láser ultrarrápido para investigar cómo cambian los estados vibratorios de los átomos con el tiempo