A maneira como os materiais comuns passam por uma mudança de fase, como derretimento ou congelamento, foi estudado em grande detalhe. Agora, uma equipe de pesquisadores observou que, quando eles acionam uma mudança de fase usando pulsos intensos de luz laser, em vez de mudar a temperatura, o processo ocorre de maneira muito diferente.

Os cientistas há muito suspeitavam que esse pode ser o caso, mas o processo não foi observado e confirmado até agora. Com este novo entendimento, os pesquisadores podem ser capazes de aproveitar o mecanismo para uso em novos tipos de dispositivos optoeletrônicos.

As descobertas incomuns são relatadas hoje no jornal Física da Natureza . A equipe era liderada por Nuh Gedik, um professor de física no MIT, com o estudante de graduação Alfred Zong, pós-doutorado Anshul Kogar, e 16 outros no MIT, Universidade de Stanford, e o Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo (Skoltech) na Rússia.

Para este estudo, em vez de usar um cristal real, como gelo, a equipe usou um análogo eletrônico chamado de onda de densidade de carga - uma modulação de densidade de elétrons congelados dentro de um sólido - que imita de perto as características de um sólido cristalino.

Embora o comportamento típico de derretimento em um material como o gelo prossiga de maneira relativamente uniforme através do material, quando a fusão é induzida na onda de densidade de carga por pulsos de laser ultrarrápidos, o processo funcionou de maneira bem diferente. Os pesquisadores descobriram que durante o derretimento induzido opticamente, a mudança de fase prossegue gerando muitas singularidades no material, conhecidos como defeitos topológicos, e estes, por sua vez, afetam a dinâmica resultante dos elétrons e átomos da rede no material.

Esses defeitos topológicos, Gedik explica, são análogos a minúsculos vórtices, ou redemoinhos, que surgem em líquidos como a água. A chave para observar esse processo único de fusão foi o uso de um conjunto de técnicas de medição precisas e de velocidade extremamente alta para capturar o processo em ação.

O pulso de laser rápido, menos de um picossegundo (trilionésimos de segundo), simula o tipo de mudanças rápidas de fase que ocorrem. Um exemplo de transição de fase rápida é a extinção - como mergulhar repentinamente um pedaço de ferro incandescente semimolto na água para resfriá-lo quase que instantaneamente. Este processo difere da forma como os materiais mudam por meio de aquecimento ou resfriamento gradual, onde eles têm tempo suficiente para atingir o equilíbrio, ou seja, para atingir uma temperatura uniforme em todo - em cada estágio da mudança de temperatura.

Embora essas mudanças de fase induzidas opticamente tenham sido observadas antes, o mecanismo exato pelo qual eles procedem não era conhecido, Gedik diz.

A equipe usou uma combinação de três técnicas, conhecido como difração de elétrons ultrarrápida, refletividade transitória, e espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo e tempo, para observar simultaneamente a resposta ao pulso de laser. Para seu estudo, eles usaram um composto de lantânio e telúrio, LaTe3, que é conhecido por hospedar ondas de densidade de carga. Juntos, esses instrumentos tornam possível rastrear os movimentos dos elétrons e átomos dentro do material conforme eles mudam e respondem ao pulso.

Nos experimentos, Gedik diz, "podemos assistir, e fazer um filme de, os elétrons e os átomos conforme a onda de densidade de carga está derretendo, "e, em seguida, continuar observando enquanto a estrutura ordenada se resolidifica. Os pesquisadores foram capazes de observar e confirmar claramente a existência desses defeitos topológicos semelhantes a vórtices.

Eles também descobriram que o tempo para resolidificação, que envolve a dissolução desses defeitos, não é uniforme, mas ocorre em várias escalas de tempo. A intensidade, ou amplitude, da onda de densidade de carga se recupera muito mais rapidamente do que a ordem da rede. Esta observação só foi possível com o conjunto de técnicas resolvidas no tempo usadas no estudo, com cada um fornecendo uma perspectiva única.

Zong diz que o próximo passo na pesquisa será tentar determinar como eles podem "projetar esses defeitos de forma controlada". Potencialmente, que pode ser usado como um sistema de armazenamento de dados, "usando esses pulsos de luz para gravar defeitos no sistema, e depois outro pulso para apagá-los. "