Faseovergangen zijn een fundamenteel stuk natuurkunde en scheikunde. We kennen allemaal de verschillende fasen van water, bijvoorbeeld, maar dit idee van een systeem van deeltjes dat verandert hoe het eruit ziet en hoe het zich gedraagt, is echt alomtegenwoordig in de wetenschap. En hoewel we het resultaat kennen van het veranderen van water in ijs, het precieze proces leidt tot veel verschillende soorten ijs:soms is ijs transparant en soms niet, en het verschil heeft te maken met hoe je het invriest. Dus, bestuderen hoe een faseovergang plaatsvindt, vertelt ons veel over fundamentele natuurkunde, en over de resulterende fasen aan beide zijden.

Op het niveau van de kwantumfysica, hetzelfde idee geldt. We kunnen de verandering van een systeem van de ene toestand naar de andere zien als we de temperatuur langzaam over de kritische temperatuur heen veranderen; bijvoorbeeld, we kunnen zien dat het materiaal hard wordt, net zoals we ijsvorming kunnen zien. Maar we zien de details op atomair niveau niet zoals ze gebeuren. In dit werk, we waren in staat om dat te overwinnen en een venster te openen op hoe de atomen zichzelf herschikken van de ene fase van het systeem naar de andere op atomaire (picoseconde) tijdschalen.

In dit bijzondere werk we hebben CeTe . gestudeerd ₃ . Het maakt deel uit van een grotere klasse van materialen, de zeldzame aarde tri-telluriden. Als je kijkt naar de atomaire structuur bij hoge temperaturen, dit materiaal is opgebouwd als een gestapeld net van vierkanten. Naarmate de temperatuur daalt, de vierkanten veranderen in rechthoeken. Er zijn twee richtingen waarin dit kan gebeuren (laten we ze A en B noemen), maar het materiaal kiest er maar één. Welke hangt af van toeval:lokale spanningen en spanningen in het materiaal veroorzaakt door defecten.

In het experiment, we gebruikten ultrakorte intense laserpulsen om het systeem even uit zijn "A"-rechthoektoestand te halen en keken hoe het probeerde te hervormen. Aangezien er geen bijzonder sterke drijvende kracht is in de richting van een van beide rechthoeken, het systeem vormde zowel A- als B-rechthoeken. Aangezien een van de rechthoeken (op picoseconde atomaire tijdschalen) de andere domineert, kleine plassen van de "verkeerde" staat blijven, die moeilijk te verwijderen zijn en nanoseconden duren (100x langer).

Deze resultaten vertellen ons over fundamentele aspecten van hoe faseveranderingen plaatsvinden, hoe verschillende delen van de materialen met elkaar "praten" om hun atomen uit te lijnen zodat de patronen overeenkomen, en wat het energielandschap is waarop dit alles gebeurt.

Als we weten wat er gebeurt met kwantummaterialen en hoe ze hun toestand op atomair niveau veranderen, die kennis kunnen we gebruiken om nieuwe en betere apparaten te ontwikkelen, zoals MRI-machines, en beter computergeheugen.