Rappresentazione artistica di un'onda di densità di carica indotta dalla luce (CDW). La maglia ondulata rappresenta le distorsioni della struttura reticolare del materiale causate dalla formazione di CDW. Le sfere luminose rappresentano i fotoni. Al centro, il CDW originale viene soppresso da un breve impulso di luce laser, mentre un nuovo CDW (a destra) appare ad angolo retto rispetto al primo. Credito:Alfred Zong
Aggiungendo energia a qualsiasi materiale, ad esempio riscaldandolo, quasi sempre rende la sua struttura meno ordinata. Ghiaccio, Per esempio, con la sua struttura cristallina, si scioglie per diventare acqua liquida, senza alcun ordine.
Ma in nuovi esperimenti di fisici al MIT e altrove, accade il contrario:quando un modello chiamato onda di densità di carica in un determinato materiale viene colpito da un impulso laser veloce, viene creata un'onda di densità di carica completamente nuova, uno stato altamente ordinato, invece del disordine atteso. La sorprendente scoperta potrebbe aiutare a rivelare proprietà invisibili in materiali di ogni tipo.
La scoperta viene riportata oggi sul giornale Fisica della natura , in un articolo dei professori del MIT Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, postdoc Anshul Kogar, studente laureato Alfred Zong, e altri 17 al MIT, Università di Harvard, Laboratorio nazionale degli acceleratori SLAC, Università di Stanford, e Laboratorio Nazionale Argonne.
Gli esperimenti hanno utilizzato un materiale chiamato tritelluride di lantanio, che si forma naturalmente in una struttura a strati. In questo materiale, un modello ondulatorio di elettroni nelle regioni ad alta e bassa densità si forma spontaneamente ma è confinato in un'unica direzione all'interno del materiale. Ma quando viene colpito da un'esplosione ultraveloce di luce laser, lunga meno di un picosecondo, o meno di un trilionesimo di secondo, quello schema, chiamata onda di densità di carica o CDW, è cancellato, e un nuovo CDW, ad angolo retto rispetto all'originale, compare in esistenza.
Questo nuovo, CDW perpendicolare è qualcosa che non è mai stato osservato prima in questo materiale. Esiste solo per un lampo, scomparendo entro pochi altri picosecondi. Mentre scompare, quello originale torna in vista, suggerendo che la sua presenza fosse stata in qualche modo soppressa da quella nuova.
Gedik spiega che nei materiali ordinari, la densità degli elettroni all'interno del materiale è costante in tutto il loro volume, ma in certi materiali, quando sono raffreddati al di sotto di una certa temperatura specifica, gli elettroni si organizzano in un CDW con regioni alternate di alta e bassa densità elettronica. Nel tritelluride di lantanio, o Late 3 , il CDW è lungo una direzione fissa all'interno del materiale. Nelle altre due dimensioni, la densità elettronica rimane costante, come nei materiali ordinari.
La versione perpendicolare del CDW che appare dopo l'esplosione di luce laser non è mai stata osservata prima in questo materiale, dice Gedik. "lampeggia brevemente, e poi è andato, "Kagar dice, per essere sostituito dal pattern CDW originale che torna immediatamente in vista.
Gedik sottolinea che "questo è abbastanza insolito. Nella maggior parte dei casi, quando aggiungi energia a un materiale, riduci l'ordine."
"È come se questi due [tipi di CDW] fossero in competizione:quando uno si presenta, l'altro se ne va, " Dice Kogar. "Penso che il concetto davvero importante qui sia la competizione in fase".
L'idea che due possibili stati della materia possano essere in competizione e che il modo dominante stia sopprimendo uno o più modi alternativi è abbastanza comune nei materiali quantistici, dicono i ricercatori. Ciò suggerisce che potrebbero esserci stati latenti in agguato invisibili in molti tipi di materia che potrebbero essere svelati se si potesse trovare un modo per sopprimere lo stato dominante. Questo è ciò che sembra accadere nel caso di questi Stati CDW concorrenti, che sono considerati analoghi alle strutture cristalline a causa del prevedibile, modelli ordinati dei loro costituenti subatomici.
Normalmente, tutti i materiali stabili si trovano nei loro stati di energia minima, cioè di tutte le possibili configurazioni dei loro atomi e molecole, il materiale si deposita nello stato che richiede la minor energia per mantenersi. Ma per una data struttura chimica, ci possono essere altre possibili configurazioni che il materiale potrebbe potenzialmente avere, tranne che sono soppressi dal dominante, stato di energia più bassa.
"Eliminando quello stato dominante con la luce, forse quegli altri stati possono essere realizzati, " dice Gedik. E poiché i nuovi stati appaiono e scompaiono così rapidamente, "puoi accenderli e spegnerli, " che può rivelarsi utile per alcune applicazioni di elaborazione delle informazioni.
La possibilità che la soppressione di altre fasi possa rivelare proprietà materiali completamente nuove apre molte nuove aree di ricerca, dice Kogar. "L'obiettivo è trovare fasi di materiale che possono esistere solo fuori equilibrio, "dice, in altre parole, stati che non sarebbero mai raggiungibili senza un metodo, come questo sistema di impulsi laser veloci, per sopprimere la fase dominante.
Gedik aggiunge che "normalmente, per cambiare la fase di un materiale si provano cambiamenti chimici, o pressione, o campi magnetici. In questo lavoro, stiamo usando la luce per apportare questi cambiamenti".
Le nuove scoperte possono aiutare a comprendere meglio il ruolo della competizione di fase in altri sistemi. Questo a sua volta può aiutare a rispondere a domande come perché la superconduttività si verifica in alcuni materiali a temperature relativamente elevate, e può aiutare nella ricerca per scoprire superconduttori a temperatura ancora più elevata. Gedik dice, "E se tutto quello che devi fare è illuminare un materiale, e questo nuovo stato viene in essere?"
Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Laboratorio nazionale degli acceleratori SLAC, il programma Skoltech-MIT NGP, il Centro per l'eccitonica, e la Fondazione Gordon e Betty Moore.
