Le transizioni di fase sono un pezzo fondamentale della fisica e della chimica. Conosciamo tutti le diverse fasi dell'acqua, Per esempio, ma questa idea di un sistema di particelle che cambia l'aspetto e il comportamento è davvero onnipresente nella scienza. E mentre conosciamo l'esito dell'acqua che si trasforma in ghiaccio, il processo preciso porta a molti diversi tipi di ghiaccio:a volte il ghiaccio è trasparente e altre volte no, e la differenza sta nel modo in cui lo congeli. Così, studiare come avviene una transizione di fase ci dice molto sulla fisica fondamentale, e sulle fasi risultanti su entrambi i lati.

A livello di fisica quantistica, vale la stessa idea. Possiamo vedere il cambiamento di un sistema da uno stato all'altro mentre cambiamo lentamente la temperatura attraverso la temperatura critica; Per esempio, possiamo vedere che il materiale diventa duro, proprio come possiamo osservare la formazione del ghiaccio. Ma non vediamo i dettagli a livello atomico mentre accadono. In questo lavoro, siamo stati in grado di superare questo problema e aprire una finestra su come gli atomi si stanno riorganizzando da una fase all'altra del sistema su scale temporali atomiche (picosecondi).

In questo particolare lavoro, abbiamo studiato CeTe ₃ . Fa parte di una classe più ampia di materiali, i tri-telluridi delle terre rare. Se osservi la sua struttura atomica alle alte temperature, questo materiale è costruito come una rete accatastata di quadrati. Al diminuire della temperatura, i quadrati si trasformano in rettangoli. Ci sono due direzioni in cui questo può accadere (chiamiamole A e B), ma il materiale ne sceglie solo uno. Quale dipende dal caso:sollecitazioni e deformazioni locali nel materiale causate da difetti.

Nell'esperimento, abbiamo usato impulsi laser ultracorti e intensi per portare brevemente il sistema fuori dal suo stato rettangolo "A" e abbiamo visto come ha cercato di riformarsi. Poiché non esiste una forza trainante particolarmente forte verso nessuno dei due stati rettangolari, il sistema ha formato entrambi i rettangoli A e B. Poiché uno dei rettangoli (su scale temporali atomiche di picosecondi) domina l'altro, rimangono piccole pozzanghere dello stato "sbagliato", che sono difficili da eliminare e durano per nanosecondi (100 volte più a lungo).

Questi risultati ci parlano di aspetti fondamentali di come avvengono i cambiamenti di fase, come le varie parti dei materiali "parlano" tra loro per allineare i loro atomi in modo che i modelli corrispondano, e qual è il panorama energetico in cui tutto questo accade.

Quando sappiamo cosa sta succedendo con i materiali quantistici e come cambiano il loro stato a livello atomico, possiamo usare quella conoscenza per sviluppare dispositivi nuovi e migliori, come macchine per risonanza magnetica, e una migliore memoria del computer.