Adicionando energia a qualquer material, como aquecê-lo, quase sempre torna sua estrutura menos ordenada. Gelo, por exemplo, com sua estrutura cristalina, derrete para se tornar água líquida, sem ordem alguma.

Mas em novos experimentos de físicos no MIT e em outros lugares, o oposto acontece:quando um padrão chamado onda de densidade de carga em um determinado material é atingido por um pulso de laser rápido, toda uma nova onda de densidade de carga é criada - um estado altamente ordenado, em vez da desordem esperada. A descoberta surpreendente pode ajudar a revelar propriedades invisíveis em materiais de todos os tipos.

A descoberta está sendo relatada hoje no jornal Física da Natureza , em um artigo dos professores do MIT Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, pós-doutorado Anshul Kogar, estudante de graduação Alfred Zong, e 17 outros no MIT, Universidade de Harvard, SLAC National Accelerator Laboratory, Universidade de Stanford, e o Laboratório Nacional de Argonne.

Os experimentos utilizaram um material denominado tritelureto de lantânio, que naturalmente se forma em uma estrutura em camadas. Neste material, um padrão ondulatório de elétrons em regiões de alta e baixa densidade se forma espontaneamente, mas está confinado a uma única direção dentro do material. Mas quando atingido por uma explosão ultrarrápida de luz laser - com menos de um picossegundo de duração, ou menos de um trilionésimo de segundo - esse padrão, chamada de onda de densidade de carga ou CDW, é obliterado, e um novo CDW, em ângulos retos com o original, surge.

Esta nova, CDW perpendicular é algo que nunca foi observado antes neste material. Ele existe por apenas um flash, desaparecendo em mais alguns picossegundos. À medida que desaparece, o original volta à vista, sugerindo que sua presença foi de alguma forma suprimida pelo novo.

Gedik explica que em materiais comuns, a densidade dos elétrons dentro do material é constante em todo o seu volume, mas em certos materiais, quando eles são resfriados abaixo de alguma temperatura específica, os elétrons se organizam em um CDW com regiões alternadas de alta e baixa densidade de elétrons. Em tritelureto de lantânio, ou LaTe ₃ , o CDW está ao longo de uma direção fixa dentro do material. Nas outras duas dimensões, a densidade do elétron permanece constante, como em materiais comuns.

A versão perpendicular do CDW que aparece após a explosão de luz laser nunca foi observada neste material, Gedik diz. Ele "pisca brevemente, e então se foi, "Kogar diz, para ser substituído pelo padrão CDW original, que imediatamente volta à vista.

Gedik aponta que "isso é bastante incomum. Na maioria dos casos, quando você adiciona energia a um material, você reduz a ordem. "

"É como se esses dois [tipos de CDW] estivessem competindo - quando um aparece, o outro vai embora, "Kogar diz." Acho que o conceito realmente importante aqui é a competição de fases. "

A ideia de que dois estados possíveis da matéria podem estar em competição e que o modo dominante está suprimindo um ou mais modos alternativos é bastante comum em materiais quânticos, dizem os pesquisadores. Isso sugere que pode haver estados latentes ocultos em muitos tipos de matéria que poderiam ser desvendados se fosse encontrada uma maneira de suprimir o estado dominante. Isso é o que parece estar acontecendo no caso desses estados concorrentes de CDW, que são considerados análogos às estruturas cristalinas por causa do previsível, padrões ordenados de seus constituintes subatômicos.

Normalmente, todos os materiais estáveis ​​são encontrados em seus estados de energia mínima, isto é, de todas as configurações possíveis de seus átomos e moléculas, o material se estabelece em um estado que requer menos energia para se manter. Mas para uma determinada estrutura química, pode haver outras configurações possíveis que o material poderia ter, exceto que eles são suprimidos pelo dominante, estado de menor energia.

"Ao eliminar esse estado dominante com luz, talvez esses outros estados possam ser realizados, "Gedik diz. E como os novos estados aparecem e desaparecem tão rapidamente, "você pode ligá-los e desligá-los, "que pode ser útil para alguns aplicativos de processamento de informações.

A possibilidade de que suprimir outras fases pode revelar propriedades materiais inteiramente novas abre muitas novas áreas de pesquisa, Kogar diz. "O objetivo é encontrar fases do material que só podem existir fora do equilíbrio, "ele diz - em outras palavras, afirma que nunca seria possível sem um método, como este sistema de pulsos de laser rápidos, para suprimir a fase dominante.

Gedik acrescenta que "normalmente, para mudar a fase de um material, você tenta mudanças químicas, ou pressão, ou campos magnéticos. Nesse trabalho, estamos usando a luz para fazer essas mudanças. "

As novas descobertas podem ajudar a entender melhor o papel da competição de fase em outros sistemas. Isso, por sua vez, pode ajudar a responder a perguntas como por que a supercondutividade ocorre em alguns materiais em temperaturas relativamente altas, e pode ajudar na busca de supercondutores de temperatura ainda mais alta. "E se tudo o que você precisa fazer é iluminar um material, e esse novo estado passa a existir? "

O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, SLAC National Accelerator Laboratory, o Programa NGP Skoltech-MIT, o Centro de Excitônica, e a Fundação Gordon e Betty Moore.