A maioria das pessoas pensa que a água existe em apenas uma das três fases:gelo sólido, água líquida, ou vapor de gás. Mas a matéria pode existir em muitas fases diferentes - gelo, por exemplo, tem mais de dez fases conhecidas, ou maneiras pelas quais seus átomos podem ser espacialmente organizados. O uso generalizado de materiais piezoelétricos, como microfones e ultrassom, é possível graças a uma compreensão fundamental de como uma força externa, como pressão, temperatura, ou eletricidade, pode levar a transições de fase que imbuem materiais com novas propriedades.

Um novo estudo descobriu que um óxido de metal tem uma fase "oculta", aquele que dá ao material novo, propriedades ferroelétricas, a capacidade de separar cargas positivas e negativas, quando é ativado por pulsos de luz extremamente rápidos. A pesquisa foi liderada pelos pesquisadores do MIT Keith A. Nelson, Xian Li, e Edoardo Baldini, em colaboração com os alunos de graduação de Andrew M. Rappe e Penn, Tian Qiu e Jiahao Zhang. Os resultados foram publicados em Ciência .

Seu trabalho abre a porta para a criação de materiais onde é possível ligar e desligar propriedades em um trilionésimo de segundo com o toque de um botão, agora com um controle muito melhor. Além de alterar o potencial elétrico, esta abordagem pode ser usada para mudar outros aspectos dos materiais existentes - transformando um isolador em um metal ou invertendo sua polaridade magnética, por exemplo.

"Está abrindo um novo horizonte para a rápida reconfiguração funcional de materiais, "diz Rappe.

O grupo estudou titanato de estrôncio, um material paraelétrico usado em instrumentos ópticos, capacitores, e resistores. O titanato de estrôncio tem uma estrutura cristalina simétrica e não polar que pode ser "empurrada" para uma fase com um polar, estrutura tetragonal com um par de íons com cargas opostas ao longo de seu eixo longo.

A colaboração anterior de Nelson e Rappe forneceu a base teórica para este novo estudo, que contou com a experiência de Nelson usando luz para induzir transições de fase em materiais sólidos, juntamente com o conhecimento de Rappe no desenvolvimento de modelos de computador em nível atômico.

"[Nelson é] o experimentalista, e nós somos os teóricos, "diz Rappe." Ele pode relatar o que pensa que está acontecendo com base em espectros, mas a interpretação é especulativa até que forneçamos um forte entendimento físico do que aconteceu. "

Com as recentes melhorias na tecnologia e conhecimento adicional obtido trabalhando com frequências terahertz, os dois químicos começaram a ver se sua teoria, agora com mais de uma década, considerada verdadeira. O desafio de Rappe era complementar os experimentos de Nelson com uma versão precisa de titanato de estrôncio gerada por computador, com cada átomo rastreado e representado, que responde à luz da mesma maneira que o material que está sendo testado no laboratório.

Eles descobriram que quando o titanato de estrôncio é excitado com luz, os íons são puxados em diferentes direções, com íons carregados positivamente se movendo em uma direção e íons carregados negativamente na outra. Então, em vez dos íons imediatamente voltando ao lugar, da mesma forma que um pêndulo ficaria depois de ser empurrado, os movimentos vibracionais induzidos nos outros átomos evitam que os íons voltem imediatamente.

É como se o pêndulo, no momento em que atinge a altura máxima de sua oscilação, é desviado ligeiramente para fora do curso, onde um pequeno entalhe o mantém no lugar longe de sua posição inicial.

Graças à sua forte história de colaboração, Nelson e Rappe foram capazes de ir e voltar das simulações teóricas para os experimentos, e vice versa, até que encontraram evidências experimentais que mostraram que sua teoria era verdadeira.

"Tem sido uma colaboração realmente incrível, "diz Nelson." E ilustra como as ideias podem ferver e voltar com força total após mais de 10 anos. "

Os dois químicos irão colaborar com engenheiros em pesquisas voltadas para aplicações futuras, como a criação de novos materiais com fases ocultas, alterar protocolos de pulso de luz para criar fases mais duradouras, e ver como essa abordagem funciona para nanomateriais. Por enquanto, ambos os pesquisadores estão entusiasmados com seus resultados e aonde essa descoberta fundamental pode levar no futuro.

“É o sonho de todo cientista:chocar uma ideia junto com um amigo, para mapear a consequência dessa ideia, em seguida, ter a chance de traduzi-lo em algo no laboratório, é extremamente gratificante. Faz-nos pensar que estamos no caminho certo em direção ao futuro, "diz Rappe.