De manier waarop gewone materialen een faseverandering ondergaan, zoals smelten of bevriezen, is tot in detail bestudeerd. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers heeft waargenomen dat wanneer ze een faseverandering veroorzaken door intense pulsen van laserlicht te gebruiken, in plaats van door de temperatuur te veranderen, het proces verloopt heel anders.

Wetenschappers hadden lang vermoed dat dit het geval zou kunnen zijn, maar het proces is tot nu toe niet waargenomen en bevestigd. Met dit nieuwe inzicht onderzoekers kunnen het mechanisme mogelijk gebruiken voor gebruik in nieuwe soorten opto-elektronische apparaten.

De ongebruikelijke bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica . Het team stond onder leiding van Nuh Gedik, een professor in de natuurkunde aan het MIT, met afgestudeerde student Alfred Zong, postdoc Anshul Kogar, en 16 anderen bij MIT, Stanford universiteit, en Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie (Skoltech) in Rusland.

Voor deze studie is in plaats van een echt kristal zoals ijs te gebruiken, het team gebruikte een elektronische analoog die een ladingsdichtheidsgolf wordt genoemd - een bevroren elektronendichtheidsmodulatie in een vaste stof - die de kenmerken van een kristallijne vaste stof nauw nabootst.

Terwijl typisch smeltgedrag in een materiaal als ijs op een relatief uniforme manier door het materiaal verloopt, wanneer het smelten wordt geïnduceerd in de ladingsdichtheidsgolf door ultrasnelle laserpulsen, het proces werkte heel anders. De onderzoekers ontdekten dat tijdens het optisch geïnduceerde smelten, de faseverandering verloopt door het genereren van veel singulariteiten in het materiaal, bekend als topologische defecten, en deze beïnvloeden op hun beurt de daaruit voortvloeiende dynamiek van elektronen en roosteratomen in het materiaal.

Deze topologische defecten, Gedik legt uit, zijn analoog aan kleine draaikolken, of wervelingen, die ontstaan ​​in vloeistoffen zoals water. De sleutel tot het observeren van dit unieke smeltproces was het gebruik van een reeks extreem snelle en nauwkeurige meettechnieken om het proces in actie te zien.

De snelle laserpuls, minder dan een picoseconde lang (biljoenste van een seconde), simuleert het soort snelle faseveranderingen die optreden. Een voorbeeld van een snelle faseovergang is blussen, zoals het plotseling in water dompelen van een halfgesmolten roodgloeiend ijzer om het vrijwel onmiddellijk af te koelen. Dit proces verschilt van de manier waarop materialen veranderen door geleidelijke verwarming of afkoeling, waar ze genoeg tijd hebben om een ​​evenwicht te bereiken - dat wil zeggen, om overal een uniforme temperatuur te bereiken - in elke fase van de temperatuurverandering.

Hoewel deze optisch geïnduceerde faseveranderingen eerder zijn waargenomen, het exacte mechanisme waardoor ze verlopen was niet bekend, zegt Gedik.

Het team gebruikte een combinatie van drie technieken, bekend als ultrasnelle elektronendiffractie, voorbijgaande reflectiviteit, en tijd- en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, om tegelijkertijd de reactie op de laserpuls te observeren. Voor hun studie ze gebruikten een verbinding van lanthaan en tellurium, LaTe3, waarvan bekend is dat het ladingsdichtheidsgolven host. Samen, deze instrumenten maken het mogelijk om de bewegingen van elektronen en atomen in het materiaal te volgen terwijl ze veranderen en reageren op de puls.

In de experimenten, Gedik zegt, "wij kunnen kijken, en maak er een filmpje van, de elektronen en de atomen terwijl de ladingsdichtheidsgolf smelt, " en blijf dan kijken terwijl de geordende structuur vervolgens opnieuw stolt. De onderzoekers waren in staat om het bestaan ​​van deze vortex-achtige topologische defecten duidelijk te observeren en te bevestigen.

Ze ontdekten ook dat de tijd voor opnieuw stollen, die de oplossing van deze gebreken inhoudt, is niet uniform, maar vindt plaats op meerdere tijdschalen. De intensiteit, of amplitude, van de ladingsdichtheidsgolf herstelt zich veel sneller dan de ordelijkheid van het rooster. Deze waarneming was alleen mogelijk met de reeks tijdopgeloste technieken die in het onderzoek werden gebruikt, met elk een uniek perspectief.

Zong zegt dat een volgende stap in het onderzoek zal zijn om te proberen te bepalen hoe ze "deze defecten op een gecontroleerde manier kunnen engineeren". Mogelijk, dat kan worden gebruikt als een gegevensopslagsysteem, "met behulp van deze lichtpulsen om defecten in het systeem te schrijven, en dan nog een puls om ze te wissen."