La maggior parte delle persone pensa che l'acqua esista solo in una delle tre fasi:ghiaccio solido, acqua liquida, o vapore di gas. Ma la materia può esistere in molte fasi diverse:ghiaccio, Per esempio, ha più di dieci fasi conosciute, o modi in cui i suoi atomi possono essere disposti spazialmente. L'uso diffuso di materiali piezoelettrici, come microfoni e ultrasuoni, è possibile grazie a una comprensione fondamentale di come una forza esterna, come pressione, temperatura, o elettricità, può portare a transizioni di fase che conferiscono ai materiali nuove proprietà.

Un nuovo studio rileva che un ossido di metallo ha una fase "nascosta", quello che dà nuovo materiale, proprietà ferroelettriche, la capacità di separare le cariche positive e negative, quando è attivato da impulsi di luce estremamente veloci. La ricerca è stata condotta dai ricercatori del MIT Keith A. Nelson, Xian Li, ed Edoardo Baldini, in collaborazione con Andrew M. Rappe e gli studenti laureati della Penn Tian Qiu e Jiahao Zhang. I risultati sono stati pubblicati in Scienza .

Il loro lavoro apre le porte alla creazione di materiali in cui è possibile accendere e spegnere le proprietà in un trilionesimo di secondo con il semplice tocco di un interruttore, ora con un controllo molto migliore. Oltre alla variazione del potenziale elettrico, questo approccio potrebbe essere utilizzato per modificare altri aspetti dei materiali esistenti:trasformare un isolante in un metallo o capovolgerne la polarità magnetica, Per esempio.

"Sta aprendo un nuovo orizzonte per una rapida riconfigurazione funzionale dei materiali, "dice Rappe.

Il gruppo ha studiato il titanato di stronzio, un materiale paraelettrico utilizzato negli strumenti ottici, condensatori, e resistori. Il titanato di stronzio ha una struttura cristallina simmetrica e non polare che può essere "spinta" in una fase con un polare, struttura tetragonale con una coppia di ioni di carica opposta lungo il suo asse lungo.

La precedente collaborazione di Nelson e Rappe ha fornito la base teorica per questo nuovo studio, che si basava sull'esperienza di Nelson nell'uso della luce per indurre le transizioni di fase nei materiali solidi insieme alle conoscenze di Rappe nello sviluppo di modelli informatici a livello atomico.

"[Nelson è] lo sperimentatore, e noi siamo i teorici, " dice Rappe. "Può riferire ciò che pensa stia accadendo in base agli spettri, ma l'interpretazione è speculativa fino a quando non forniamo una forte comprensione fisica di ciò che è accaduto".

Con i recenti miglioramenti tecnologici e le conoscenze aggiuntive acquisite lavorando con frequenze terahertz, i due chimici si misero a vedere se la loro teoria, ora ha più di un decennio, tenuto vero. La sfida di Rappe era quella di integrare gli esperimenti di Nelson con un'accurata versione generata al computer del titanato di stronzio, con ogni singolo atomo tracciato e rappresentato, che risponde alla luce allo stesso modo del materiale testato in laboratorio.

Hanno scoperto che quando il titanato di stronzio è eccitato dalla luce, gli ioni vengono tirati in direzioni diverse, con ioni caricati positivamente che si muovono in una direzione e ioni caricati negativamente nell'altra. Quindi, invece degli ioni che tornano immediatamente al loro posto, come farebbe un pendolo dopo che è stato spinto, i movimenti vibrazionali indotti negli altri atomi impediscono agli ioni di tornare indietro immediatamente.

È come se il pendolo, nel momento in cui raggiunge l'altezza massima della sua oscillazione, viene deviato leggermente fuori rotta dove una piccola tacca lo tiene in posizione lontano dalla sua posizione iniziale.

Grazie alla loro forte storia di collaborazione, Nelson e Rappe hanno potuto andare avanti e indietro dalle simulazioni teoriche agli esperimenti, e viceversa, finché non trovarono prove sperimentali che dimostrassero che la loro teoria era vera.

"È stata una collaborazione davvero fantastica, " dice Nelson. "E illustra come le idee possono sobbollire e poi tornare in piena forza dopo più di 10 anni".

I due chimici collaboreranno con gli ingegneri su future ricerche orientate alle applicazioni, come creare nuovi materiali che hanno fasi nascoste, modificare i protocolli di impulso luminoso per creare fasi più durature, e vedere come funziona questo approccio per i nanomateriali. Per adesso, entrambi i ricercatori sono entusiasti dei loro risultati e di dove questa svolta fondamentale potrebbe portare in futuro.

"È il sogno di ogni scienziato:far nascere un'idea insieme a un amico, per mappare la conseguenza di quell'idea, poi avere la possibilità di tradurlo in qualcosa in laboratorio, è estremamente gratificante. Ci fa pensare che siamo sulla strada giusta verso il futuro, "dice Rappe.