De meeste mensen denken dat water slechts in een van de drie fasen bestaat:vast ijs, vloeibaar water, of gasdamp. Maar materie kan in veel verschillende fasen bestaan:ijs, bijvoorbeeld, heeft meer dan tien bekende fasen, of manieren waarop de atomen ruimtelijk kunnen worden gerangschikt. Het wijdverbreide gebruik van piëzo-elektrische materialen, zoals microfoons en echografie, is mogelijk dankzij een fundamenteel begrip van hoe een externe kracht, zoals druk, temperatuur, of elektriciteit, kan leiden tot faseovergangen die materialen met nieuwe eigenschappen doordrenken.

Een nieuwe studie vindt dat een metaaloxide een "verborgen" fase heeft, een die het materiaal nieuw geeft, ferro-elektrische eigenschappen, het vermogen om positieve en negatieve ladingen te scheiden, wanneer het wordt geactiveerd door extreem snelle lichtpulsen. Het onderzoek werd geleid door MIT-onderzoekers Keith A. Nelson, Xian Li, en Edoardo Baldini, in samenwerking met Andrew M. Rappe en Penn afgestudeerde studenten Tian Qiu en Jiahao Zhang. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Hun werk opent de deur naar het maken van materialen waarmee je eigenschappen in een biljoenste van een seconde met een druk op de knop kunt in- en uitschakelen, nu met veel betere controle. Naast het veranderen van de elektrische potentiaal, deze benadering zou kunnen worden gebruikt om andere aspecten van bestaande materialen te veranderen - een isolator in een metaal veranderen of de magnetische polariteit omdraaien, bijvoorbeeld.

"Het opent een nieuwe horizon voor snelle herconfiguratie van functioneel materiaal, ' zegt Rappe.

De groep bestudeerde strontiumtitanaat, een para-elektrisch materiaal dat wordt gebruikt in optische instrumenten, condensatoren, en weerstanden. Strontiumtitanaat heeft een symmetrische en niet-polaire kristalstructuur die in een fase kan worden "geduwd" met een polaire, tetragonale structuur met een paar tegengesteld geladen ionen langs de lange as.

De eerdere samenwerking van Nelson en Rappe vormde de theoretische basis voor deze nieuwe studie, die gebaseerd was op Nelson's ervaring met het gebruik van licht om faseovergangen in vaste materialen te induceren, samen met Rappe's kennis bij het ontwikkelen van computermodellen op atomair niveau.

"[Nelson is] de experimentator, en wij zijn de theoretici, "zegt Rappe. "Hij kan rapporteren wat hij denkt dat er gebeurt op basis van spectra, maar de interpretatie is speculatief totdat we een sterk fysiek begrip hebben van wat er is gebeurd."

Met recente verbeteringen in technologie en aanvullende kennis die is opgedaan bij het werken met terahertz-frequenties, gingen de twee scheikundigen op pad om te zien of hun theorie, nu meer dan een decennium oud, waar gehouden. Rappe's uitdaging was om Nelson's experimenten aan te vullen met een nauwkeurige computer-gegenereerde versie van strontiumtitanaat, met elk afzonderlijk atoom gevolgd en weergegeven, dat op dezelfde manier op licht reageert als het materiaal dat in het laboratorium wordt getest.

Ze ontdekten dat wanneer strontiumtitanaat wordt geëxciteerd met licht, de ionen worden in verschillende richtingen getrokken, waarbij positief geladen ionen in de ene richting bewegen en negatief geladen ionen in de andere. Vervolgens, in plaats van dat de ionen meteen weer op hun plaats vallen, zoals een slinger zou doen nadat hij is geduwd, trillingsbewegingen die in de andere atomen worden geïnduceerd, voorkomen dat de ionen onmiddellijk terugzwaaien.

Het is alsof de slinger, op het moment dat het de maximale hoogte van zijn oscillatie bereikt, enigszins van de koers wordt afgeleid waar een kleine inkeping hem op zijn plaats houdt, weg van zijn oorspronkelijke positie.

Dankzij hun sterke geschiedenis van samenwerking, Nelson en Rappe konden heen en weer gaan van de theoretische simulaties naar de experimenten, en vice versa, totdat ze experimenteel bewijs vonden dat aantoonde dat hun theorie waar was.

"Het was een geweldige samenwerking, ", zegt Nelson. "En het illustreert hoe ideeën kunnen sudderen en na meer dan 10 jaar weer op volle kracht kunnen terugkeren."

De twee chemici zullen samenwerken met ingenieurs aan toekomstig toepassingsgericht onderzoek, zoals het maken van nieuwe materialen met verborgen fasen, het veranderen van lichtpulsprotocollen om langer durende fasen te creëren, en zien hoe deze aanpak werkt voor nanomaterialen. Voor nu, beide onderzoekers zijn enthousiast over hun resultaten en waar deze fundamentele doorbraak in de toekomst toe kan leiden.

"Het is de droom van elke wetenschapper:samen met een vriend een idee uitbroeden, de consequentie van dat idee in kaart te brengen, dan om een ​​kans te krijgen om het in iets in het lab te vertalen, het is buitengewoon verheugend. Het laat ons denken dat we op de goede weg zijn richting de toekomst, ' zegt Rappe.