Energie toevoegen aan elk materiaal, zoals door het te verwarmen, maakt de structuur bijna altijd minder ordelijk. Ijs, bijvoorbeeld, met zijn kristallijne structuur, smelt tot vloeibaar water, helemaal geen bestelling.

Maar in nieuwe experimenten van natuurkundigen aan het MIT en elders, het tegenovergestelde gebeurt:wanneer een patroon dat een ladingsdichtheidsgolf wordt genoemd in een bepaald materiaal wordt geraakt met een snelle laserpuls, een geheel nieuwe ladingsdichtheidsgolf wordt gecreëerd - een zeer geordende toestand, in plaats van de verwachte stoornis. De verrassende bevinding zou kunnen helpen om onzichtbare eigenschappen in allerlei soorten materialen te onthullen.

De ontdekking wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica , in een paper van MIT-professoren Nuh Gedik en Pablo Jarillo-Herrero, postdoc Anshul Kogar, afgestudeerde student Alfred Zong, en 17 anderen bij MIT, Harvard universiteit, SLAC Nationaal Versneller Laboratorium, Stanford universiteit, en Argonne Nationaal Laboratorium.

De experimenten maakten gebruik van een materiaal genaamd lanthaantritelluride, die zich van nature in een gelaagde structuur vormt. In dit materiaal, een golfachtig patroon van elektronen in gebieden met hoge en lage dichtheid vormt zich spontaan, maar is beperkt tot een enkele richting binnen het materiaal. Maar wanneer geraakt met een ultrasnelle uitbarsting van laserlicht - minder dan een picoseconde lang, of minder dan een biljoenste van een seconde - dat patroon, een ladingsdichtheidsgolf of CDW genoemd, wordt uitgewist, en een nieuwe CDW, haaks op het origineel, ontstaat.

Deze nieuwe, loodrechte CDW is iets dat nog nooit eerder in dit materiaal is waargenomen. Het bestaat slechts voor een flits, verdwijnen binnen een paar picoseconden. Naarmate het verdwijnt, de originele komt weer in beeld, wat suggereert dat zijn aanwezigheid op de een of andere manier was onderdrukt door de nieuwe.

Gedik legt uit dat in gewone materialen, de dichtheid van elektronen in het materiaal is constant over hun hele volume, maar in bepaalde materialen, wanneer ze worden afgekoeld tot onder een bepaalde temperatuur, de elektronen organiseren zich in een CDW met afwisselende gebieden van hoge en lage elektronendichtheid. In lanthaantritelluride, of LaTe ₃ , de CDW is langs één vaste richting binnen het materiaal. In de andere twee dimensies, de elektronendichtheid blijft constant, zoals bij gewone materialen.

De loodrechte versie van de CDW die verschijnt na de uitbarsting van laserlicht is nog nooit eerder in dit materiaal waargenomen, zegt Gedik. Het "flitst slechts kort, en dan is het weg, " zegt Kogar, te vervangen door het originele CDW-patroon dat meteen weer in beeld komt.

Gedik wijst erop dat "dit vrij ongebruikelijk is. In de meeste gevallen als je energie aan een materiaal toevoegt, je vermindert de bestelling."

"Het is alsof deze twee [soorten CDW] wedijveren - als er een opduikt, de ander gaat weg, " zegt Kogar. "Ik denk dat het echt belangrijke concept hier fasecompetitie is."

Het idee dat twee mogelijke toestanden van materie in competitie zouden kunnen zijn en dat de dominante modus een of meer alternatieve modi onderdrukt, is vrij gebruikelijk in kwantummaterialen, zeggen de onderzoekers. Dit suggereert dat er latente toestanden op de loer kunnen liggen in vele soorten materie die onthuld zouden kunnen worden als er een manier kan worden gevonden om de dominante staat te onderdrukken. Dat lijkt te gebeuren in het geval van deze concurrerende CDW-staten, die worden beschouwd als analoog aan kristalstructuren vanwege de voorspelbare, ordelijke patronen van hun subatomaire bestanddelen.

Normaal gesproken, alle stabiele materialen worden gevonden in hun minimale energietoestanden, dat wil zeggen, van alle mogelijke configuraties van hun atomen en moleculen, het materiaal bezinkt in de staat die de minste energie nodig heeft om zichzelf te onderhouden. Maar voor een bepaalde chemische structuur, er kunnen andere mogelijke configuraties zijn die het materiaal mogelijk zou kunnen hebben, behalve dat ze onderdrukt worden door de dominante, staat met de laagste energie.

"Door die dominante staat met licht uit te schakelen, misschien kunnen die andere staten worden gerealiseerd, " zegt Gedik. En omdat de nieuwe staten zo snel verschijnen en verdwijnen, "je kunt ze aan- en uitzetten, " wat nuttig kan zijn voor sommige informatieverwerkingstoepassingen.

De mogelijkheid dat het onderdrukken van andere fasen geheel nieuwe materiaaleigenschappen onthult, opent veel nieuwe onderzoeksgebieden, zegt Kogar. "Het doel is om fasen van materiaal te vinden die alleen uit evenwicht kunnen bestaan, "zegt hij - met andere woorden, staten die nooit haalbaar zouden zijn zonder een methode, zoals dit systeem van snelle laserpulsen, voor het onderdrukken van de dominante fase.

Gedik voegt eraan toe dat "normaal gesproken om de fase van een materiaal te veranderen, probeer je chemische veranderingen, of druk, of magnetische velden. In dit werk, we gebruiken licht om deze veranderingen aan te brengen."

De nieuwe bevindingen kunnen helpen om de rol van faseconcurrentie in andere systemen beter te begrijpen. Dit kan op zijn beurt helpen bij het beantwoorden van vragen zoals waarom supergeleiding optreedt in sommige materialen bij relatief hoge temperaturen, en kan helpen bij de zoektocht naar supergeleiders met nog hogere temperaturen. Gedik zegt:"Wat als je alleen maar licht op een materiaal hoeft te schijnen, en deze nieuwe staat ontstaat?"

Het werk werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, SLAC Nationaal Versneller Laboratorium, het Skoltech-MIT NGP-programma, het Centrum voor Excitonics, en de Gordon en Betty Moore Foundation.