La forma en que comúnmente los materiales experimentan un cambio de fase, como la fusión o la congelación, es ampliamente conocido y se ha estudiado con gran detalle desde del siglo XX. Ahora, un equipo de investigadores ha observado que cuando activan un cambio de fase mediante el uso de pulso intenso de luz láser, en lugar de cambiar la temperatura, el proceso ocurre de una manera muy diferente. Con esta nueva comprensión sobre los fenómenos de cambio de fase, los investigadores pueden aprovechar el mecanismo para su uso en nuevos tipos de dispositivos optoelectrónicos.
Para el estudio, el equipo dirigido por Nuh Gedik, profesor de física en el MIT, en lugar de un cristal real como el hielo, se usó un análogo electrónico denominado como onda de densidad de carga, una modulación de densidad de electrones congelada dentro de un sólido, que imita las características de un sólido cristalino.
Si bien el comportamiento de fusión típico en un material como el hielo se produce de manera relativamente uniforme a través del material, cuando la fusión se induce en la onda de densidades de carga mediante pulso de láser ultrarrápidos, el proceso tuvo lugar de forma muy diferente. Los investigadores encontraron que durante la fusión inducida ópticamente, el cambio de fase se produce al generar muchas singularidades en el material, conocidas como defectos topológicos, y estos a su vez afectan a la dinámica subsiguiente de los electrones y los átomos en red.
Estos defectos topológicos, explica Gedik, son análogos a pequeños vórtices o remolinos, que surgen en líquidos como el agua. La clave para observar este proceso de fusión único fue el uso de un conjunto de técnicas de medición extremadamente rápidas y precisas para capturar el proceso en acción.
El ultrarrápido pulso láser, menos de un picosegundo, simula el tipo de cambios de fase rápidos que ocurren. Un ejemplo de una transición de fase rápida es el enfriamiento, como por ejemplo, sumergir repentinamente en el agua una pieza de hierro candente semimoldeado para enfriarla casi instantáneamente. Este proceso difiere de la forma en que los materiales cambian a través del calentamiento o enfriamiento gradual, donde tienen el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio, es decir, para alcanzar una temperatura uniforme en todo momento, en cada etapa del cambio de temperatura.
Si bien estos cambios de fase inducidos ópticamente se han observado antes, el mecanismo exacto a través del cual proceden no se conocía, dice Gedik.
El equipo utilizó una combinación de tres técnicas, conocidas como difracción de electrones ultrarrápida, reflectividad transitoria y espectroscopia de fotoemisión de resolución de ángulo y tiempo, para observar simultáneamente la respuesta al pulso del láser. Para su estudio, utilizaron un compuesto de lantano y teluro, LaTe3, que se sabe que alberga ondas de densidad de carga. Juntos, estos instrumentos permiten rastrear los movimientos de electrones y átomos dentro del material a medida que cambian y responden al pulso.
En los experimentos, dice Gedik, «podemos ver los electrones y átomos a medida que la onda de densidad de carga se está derritiendo», y luego continuar observando mientras la estructura ordenada se solidifica. Los investigadores pudieron observar y confirmar claramente la existencia de estos defectos topológicos de tipo vórtice.
También encontraron que el tiempo para la resolidificación, que implica la disolución de estos defectos, no es uniforme, sino que tiene lugar en múltiples escalas de tiempo. La intensidad o amplitud de la onda de densidad de carga se recupera mucho más rápidamente que el orden de la red. Esta observación solo fue posible con el conjunto de técnicas de resolución temporal utilizadas en el estudio, y cada una brindó una perspectiva única.
El también miembro del equipo de investigación y estudiante de graduado en el MIT, Alfred Zong, asegura que un próximo paso en la investigación será tratar determinar cómo se pueden “diseñar estos defectos de forma controlada”. Potencialmente, estas nuevas investigaciones podrían ser usadas como un sistema de almacenamiento de datos.
Créditos Imagen Portada: MIT
