De flesta människor tänker på att vatten bara finns i en av tre faser:fast is, flytande vatten, eller gasånga. Men materia kan existera i många olika faser – is, till exempel, har mer än tio kända faser, eller sätt att dess atomer kan ordnas rumsligt. Den utbredda användningen av piezoelektriska material, som mikrofoner och ultraljud, är möjligt tack vare en grundläggande förståelse för hur en yttre kraft, som tryck, temperatur, eller el, kan leda till fasövergångar som ger material nya egenskaper.

En ny studie visar att en metalloxid har en "dold" fas, en som ger materialet nytt, ferroelektriska egenskaper, förmågan att separera positiva och negativa laddningar, när den aktiveras av extremt snabba ljuspulser. Forskningen leddes av MIT-forskarna Keith A. Nelson, Xian Li, och Edoardo Baldini, i samarbete med Andrew M. Rappe och Penn doktorander Tian Qiu och Jiahao Zhang. Fynden publicerades i Vetenskap .

Deras arbete öppnar dörren till att skapa material där man kan slå på och stänga av egenskaper på en biljondels sekund med en knapptryckning, nu med mycket bättre kontroll. Förutom att ändra elektrisk potential, detta tillvägagångssätt kan användas för att ändra andra aspekter av befintliga material – att förvandla en isolator till en metall eller vända dess magnetiska polaritet, till exempel.

"Det öppnar en ny horisont för snabb funktionell materialomkonfiguration, säger Rappe.

Gruppen studerade strontiumtitanat, ett paraelektriskt material som används i optiska instrument, kondensatorer, och motstånd. Strontiumtitanat har en symmetrisk och opolär kristallstruktur som kan "skjutas" in i en fas med en polär, tetragonal struktur med ett par motsatt laddade joner längs sin långa axel.

Nelson och Rappes tidigare samarbete gav den teoretiska grunden för denna nya studie, som förlitade sig på Nelsons erfarenhet av att använda ljus för att inducera fasövergångar i fasta material tillsammans med Rappes kunskap om att utveckla datormodeller på atomnivå.

"[Nelson är] experimentalisten, och vi är teoretiker, " säger Rappe. "Han kan rapportera vad han tror händer baserat på spektra, men tolkningen är spekulativ tills vi ger en stark fysisk förståelse av vad som hände."

Med de senaste förbättringarna av teknologin och ytterligare kunskap från att arbeta med terahertz-frekvenser, de två kemisterna gav sig ut för att se om deras teori, nu mer än ett decennium gammal, stämde. Rappes utmaning var att komplettera Nelsons experiment med en exakt datorgenererad version av strontiumtitanat, med varje enskild atom spårad och representerad, som svarar på ljus på samma sätt som materialet som testas i labbet.

De fann att när strontiumtitanat exciteras med ljus, jonerna dras åt olika håll, med positivt laddade joner som rör sig i en riktning och negativt laddade joner i den andra. Sedan, istället för att jonerna omedelbart faller tillbaka på plats, som en pendel skulle göra efter att den har tryckts, vibrationsrörelser som induceras i de andra atomerna hindrar jonerna från att omedelbart svänga tillbaka.

Det är som om pendeln, i det ögonblick som den når den maximala höjden av sin svängning, avleds något ur kurs där en liten skåra håller den på plats bort från dess utgångsläge.

Tack vare deras starka historia av samarbete, Nelson och Rappe kunde gå fram och tillbaka från de teoretiska simuleringarna till experimenten, och vice versa, tills de hittade experimentella bevis som visade att deras teori stämde.

"Det har varit ett fantastiskt samarbete, " säger Nelson. "Och det illustrerar hur idéer kan sjuda och sedan återkomma med full kraft efter mer än 10 år."

De två kemisterna kommer att samarbeta med ingenjörer om framtida applikationsdriven forskning, som att skapa nya material som har dolda faser, ändra ljuspulsprotokoll för att skapa mer långvariga faser, och se hur detta tillvägagångssätt fungerar för nanomaterial. Tills vidare, båda forskarna är exalterade över sina resultat och vart detta grundläggande genombrott kan leda till i framtiden.

"Det är drömmen för varje forskare:att kläcka en idé tillsammans med en vän, att kartlägga konsekvensen av den idén, att sedan ha en chans att översätta det till något i labbet, det är oerhört glädjande. Det får oss att tro att vi är på rätt väg mot framtiden, säger Rappe.