Il modo in cui i materiali ordinari subiscono un cambiamento di fase, come lo scioglimento o il congelamento, è stato studiato nei minimi dettagli. Ora, un team di ricercatori ha osservato che quando innescano un cambiamento di fase utilizzando intensi impulsi di luce laser, invece di cambiare la temperatura, il processo avviene in modo molto diverso.

Gli scienziati sospettavano da tempo che potesse essere così, ma il processo non è stato osservato e confermato fino ad ora. Con questa nuova comprensione, i ricercatori potrebbero essere in grado di sfruttare il meccanismo per l'uso in nuovi tipi di dispositivi optoelettronici.

I risultati insoliti sono riportati oggi sulla rivista Fisica della natura . La squadra era guidata da Nuh Gedik, un professore di fisica al MIT, con lo studente laureato Alfred Zong, postdoc Anshul Kogar, e altri 16 al MIT, Università di Stanford, e Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Russia.

Per questo studio, invece di usare un vero cristallo come il ghiaccio, il team ha utilizzato un analogo elettronico chiamato onda di densità di carica, una modulazione di densità elettronica congelata all'interno di un solido, che imita da vicino le caratteristiche di un solido cristallino.

Mentre il tipico comportamento di fusione in un materiale come il ghiaccio procede in modo relativamente uniforme attraverso il materiale, quando la fusione è indotta nell'onda di densità di carica da impulsi laser ultraveloci, il processo ha funzionato in modo molto diverso. I ricercatori hanno scoperto che durante la fusione indotta otticamente, il cambiamento di fase procede generando molte singolarità nel materiale, noti come difetti topologici, e questi a loro volta influenzano la conseguente dinamica degli elettroni e degli atomi reticolari nel materiale.

Questi difetti topologici, Gedik spiega, sono analoghi a minuscoli vortici, o vortici, che sorgono in liquidi come l'acqua. La chiave per osservare questo processo di fusione unico era l'uso di una serie di tecniche di misurazione estremamente veloci e accurate per catturare il processo in azione.

L'impulso laser veloce, meno di un picosecondo (trilionesimi di secondo), simula il tipo di rapidi cambiamenti di fase che si verificano. Un esempio di una rapida transizione di fase è l'estinzione, come l'immersione improvvisa di un pezzo di ferro rovente semifuso nell'acqua per raffreddarlo quasi istantaneamente. Questo processo differisce dal modo in cui i materiali cambiano attraverso il riscaldamento o il raffreddamento graduale, dove hanno abbastanza tempo per raggiungere l'equilibrio, cioè per raggiungere una temperatura uniforme in ogni fase della variazione di temperatura.

Sebbene questi cambiamenti di fase indotti otticamente siano stati osservati in precedenza, l'esatto meccanismo attraverso il quale procedono non era noto, dice Gedik.

Il team ha utilizzato una combinazione di tre tecniche, nota come diffrazione elettronica ultraveloce, riflettività transitoria, e spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e angolo, per osservare contemporaneamente la risposta all'impulso laser. Per il loro studio, usavano un composto di lantanio e tellurio, LaTe3, che è noto per ospitare onde di densità di carica. Insieme, questi strumenti consentono di tracciare i movimenti di elettroni e atomi all'interno del materiale mentre cambiano e rispondono all'impulso.

Negli esperimenti, Gedik dice, "possiamo guardare, e fare un film di, gli elettroni e gli atomi mentre l'onda di densità di carica si scioglie, " e poi continuare a guardare mentre la struttura ordinata si risolleva. I ricercatori sono stati in grado di osservare chiaramente e confermare l'esistenza di questi difetti topologici simili a vortici.

Hanno anche scoperto che il tempo per risolidificare, che comporta la risoluzione di questi vizi, non è uniforme, ma avviene su più tempi. L'intensità, o ampiezza, dell'onda di densità di carica si riprende molto più rapidamente di quanto non faccia l'ordine del reticolo. Questa osservazione è stata possibile solo con la suite di tecniche risolte nel tempo utilizzate nello studio, con ciascuno che fornisce una prospettiva unica.

Zong dice che un prossimo passo nella ricerca sarà cercare di determinare come possono "progettare questi difetti in modo controllato". potenzialmente, che potrebbe essere utilizzato come sistema di archiviazione dei dati, "usando questi impulsi luminosi per scrivere difetti nel sistema, e poi un altro impulso per cancellarli."