Um grupo de pesquisadores liderados por Andrea Cavalleri no Instituto Max Planck de Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) em Hamburgo demonstrou um novo método que permite medições precisas das forças interatômicas que mantêm sólidos cristalinos juntos. O artigo Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, publicado online em Natureza , explica como um pulso de laser de frequência terahertz pode causar deformações muito grandes do cristal. Ao medir as trajetórias atômicas altamente incomuns sob transientes eletromagnéticos extremos, o grupo MPSD poderia reconstruir quão rígidas são as ligações atômicas a grandes distâncias dos arranjos de equilíbrio. Isso promete novos insights sobre as propriedades mecânicas da matéria e sua instabilidade perto das mudanças de fase.

Os cristais são mantidos juntos por forças extremamente fortes, que determinam todas as suas propriedades térmicas e mecânicas. A temperatura na qual um material específico funde ou muda de forma e a resistência do material à pressão e distorções de cisalhamento são todas determinadas por esse 'campo de força'. É a base de qualquer descrição de um material em livro didático e é rotineiramente calculada por métodos teóricos sofisticados. Ainda, até agora, nenhum experimento poderia validar quantitativamente esses cálculos ou pelo menos medir o campo de força.

Em um estudo recente do grupo MPSD liderado por Andrea Cavalleri, flashes de laser ultracurtos em frequências infravermelhas médias foram usados ​​para mover átomos para longe de seu arranjo de equilíbrio. Ao medir como os mesmos átomos foram feitos para tocar depois que o impulso foi desligado, o grupo de pesquisa MPSD poderia reconstruir a natureza das forças que mantêm o cristal unido.

"Usamos campos de laser fortes para conduzir os átomos a deslocamentos onde sua dinâmica não pode mais ser descrita dentro da aproximação harmônica, "explica Alexander von Hoegen, doutorado pelo MPSD e primeiro autor deste artigo. "Nesta situação, as forças restauradoras agindo sobre os átomos não são mais lineares proporcionais aos deslocamentos das posições de equilíbrio, como seriam no caso de pequenas oscilações em um pêndulo. "

Tal fonônica não linear é, por exemplo, manifestada pelo fato de que os átomos não apenas oscilam em sua frequência natural, mas também em vários tons, os chamados harmônicos superiores observados neste estudo.

Os deslocamentos atômicos correspondentes, enorme na escala das distâncias interatômicas, são, no entanto, apenas da ordem de alguns picômetros, isso é um milionésimo de um bilionésimo de um metro. As vibrações foram rastreadas com um segundo, pulso de laser ainda mais curto. Embora os átomos tenham oscilado com velocidades acima de 1000 m / s, seu movimento pode ser rastreado em câmera ultralenta. Essa medição resolvida no tempo foi a chave para reconstruir as forças que agem sobre os átomos.

Este trabalho do MPSD estabelece um novo tipo de espectroscopia não linear que captura uma das propriedades microscópicas mais fundamentais dos materiais, ressaltando o poder de novas fontes ópticas avançadas e abrindo o caminho para um futuro, classe de experimentos ainda mais perspicazes no Laser de elétrons livres de raios-X de Hamburgo.