Hur vanliga material genomgår en fasförändring, såsom smältning eller frysning, har studerats i detalj. Nu, ett team av forskare har observerat att när de utlöser en fasförändring genom att använda intensiva pulser av laserljus, istället för att ändra temperaturen, processen sker väldigt annorlunda.

Forskare hade länge misstänkt att detta kan vara fallet, men processen har inte observerats och bekräftats förrän nu. Med denna nya förståelse, forskare kan kanske utnyttja mekanismen för användning i nya typer av optoelektroniska enheter.

De ovanliga fynden rapporteras idag i tidningen Naturfysik . Teamet leddes av Nuh Gedik, professor i fysik vid MIT, med doktorand Alfred Zong, postdoc Anshul Kogar, och 16 andra på MIT, Stanford University, och Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Ryssland.

För denna studie, istället för att använda en verklig kristall som is, teamet använde en elektronisk analog som kallas en laddningstäthetsvåg - en frusen elektrondensitetsmodulering inom ett fast ämne - som nära efterliknar egenskaperna hos ett kristallint fast ämne.

Medan typiskt smältbeteende i ett material som is fortskrider på ett relativt enhetligt sätt genom materialet, när smältningen induceras i laddningstäthetsvågen av ultrasnabba laserpulser, processen fungerade helt annorlunda. Forskarna fann att under den optiskt inducerade smältningen, fasförändringen fortsätter genom att generera många singulariteter i materialet, kallas topologiska defekter, och dessa påverkar i sin tur den efterföljande dynamiken hos elektroner och gitteratomer i materialet.

Dessa topologiska defekter, Gedik förklarar, är analoga med små virvlar, eller virvlar, som uppstår i vätskor som vatten. Nyckeln till att observera denna unika smältprocess var användningen av en uppsättning extremt snabba och noggranna mättekniker för att fånga processen i aktion.

Den snabba laserpulsen, mindre än en picosekund lång (biljondelar av en sekund), simulerar den typ av snabba fasförändringar som sker. Ett exempel på en snabb fasövergång är släckning-som att plötsligt kasta en bit halvsmält glödgod järn i vatten för att kyla av det nästan omedelbart. Denna process skiljer sig från hur material förändras genom gradvis uppvärmning eller kylning, där de har tillräckligt med tid för att nå jämvikt - det vill säga att uppnå en enhetlig temperatur hela tiden - vid varje steg i temperaturförändringen.

Även om dessa optiskt inducerade fasförändringar har observerats tidigare, den exakta mekanismen genom vilken de fortsätter var inte känd, Säger Gedik.

Teamet använde en kombination av tre tekniker, känd som ultrasnabb elektrondiffraktion, övergående reflektivitet, och tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, att samtidigt observera svaret på laserpulsen. För sina studier, de använde en förening av lantan och tellur, LaTe3, som är känd för laddningstäthetsvågor. Tillsammans, dessa instrument gör det möjligt att spåra elektronernas och atoms rörelser i materialet när de förändras och reagerar på pulsen.

I experimenten, Gedik säger, "vi kan titta på, och göra en film av, elektronerna och atomerna när laddningstäthetsvågan smälter, "och fortsätt sedan titta på när den ordnade strukturen sedan försvinner. Forskarna kunde tydligt observera och bekräfta förekomsten av dessa virvelliknande topologiska defekter.

De fann också att tiden för beslut, som innebär upplösning av dessa defekter, är inte enhetlig, men sker på flera tidsskalor. Intensiteten, eller amplitud, av laddningstäthetsvågen återhämtar sig mycket snabbare än gitterets ordning. Denna observation var endast möjlig med sviten av tidsupplösta tekniker som användes i studien, var och en ger ett unikt perspektiv.

Zong säger att ett nästa steg i forskningen kommer att vara att försöka fastställa hur de kan "konstruera dessa defekter på ett kontrollerat sätt." Potentiellt, som kan användas som ett datalagringssystem, "använder dessa ljuspulser för att skriva defekter i systemet, och sedan ytterligare en puls för att radera dem."