As transições de fase são uma peça fundamental da física e da química. Estamos todos familiarizados com as diferentes fases da água, por exemplo, mas essa ideia de um sistema de partículas mudando sua aparência e como se comporta é realmente onipresente na ciência. E embora saibamos o resultado da transformação da água em gelo, o processo preciso leva a muitos tipos diferentes de gelo:às vezes o gelo é transparente e outras vezes não, e a diferença tem a ver com como você o congela. Assim, estudar como uma transição de fase acontece nos diz muito sobre a física fundamental, e sobre as fases resultantes em ambos os lados.

No nível da física quântica, a mesma ideia se aplica. Podemos ver a mudança de um sistema de um estado para outro conforme mudamos lentamente a temperatura ao longo da temperatura crítica; por exemplo, podemos ver que o material fica duro, assim como podemos observar a formação de gelo. Mas não vemos os detalhes em um nível atômico conforme eles acontecem. Nesse trabalho, fomos capazes de superar isso e abrir uma janela para como os átomos estão se reorganizando de uma fase do sistema para outra em escalas de tempo atômicas (picossegundos).

Neste trabalho em particular, nós estudamos CeTe ₃ . Faz parte de uma classe maior de materiais, os tri-teluretos de terras raras. Se você olhar para sua estrutura atômica em altas temperaturas, este material é construído como uma rede de quadrados empilhados. Conforme a temperatura diminui, os quadrados se transformam em retângulos. Existem duas direções em que isso pode acontecer (vamos chamá-los de A e B), mas o material escolhe apenas um. Qual deles depende do acaso - tensões locais e tensões no material causadas por defeitos.

No experimento, usamos pulsos de laser ultracurtos e intensos para tirar brevemente o sistema de seu estado de retângulo "A" e observamos como ele tentava se reformar. Uma vez que não há força motriz particularmente forte em direção a nenhum dos estados retangulares, o sistema formou retângulos A e B. Como um dos retângulos (em escalas de tempo atômicas de picossegundos) domina o outro, pequenas poças do estado "errado" permanecem, que são difíceis de se livrar e duram nanosegundos (100 vezes mais).

Esses resultados nos falam sobre aspectos fundamentais de como as mudanças de fase acontecem, como várias partes dos materiais "falam" umas com as outras para alinhar seus átomos para que os padrões correspondam, e qual é a paisagem energética na qual tudo isso acontece.

Quando sabemos o que está acontecendo com os materiais quânticos e como eles mudam seu estado no nível atômico, podemos usar esse conhecimento para desenvolver novos e melhores dispositivos, como máquinas de ressonância magnética, e melhor memória de computador.