Tillför energi till vilket material som helst, till exempel genom att värma den, gör nästan alltid dess struktur mindre ordnad. Is, till exempel, med sin kristallina struktur, smälter för att bli flytande vatten, utan ordning alls.

Men i nya experiment av fysiker vid MIT och på andra håll, det motsatta händer:När ett mönster som kallas en laddningstäthetsvåg i ett visst material träffas med en snabb laserpuls, en helt ny laddningstäthetsvåg skapas - ett högordnat tillstånd, istället för den förväntade störningen. Det överraskande fyndet kan hjälpa till att avslöja osynliga egenskaper hos material av alla slag.

Upptäckten rapporteras idag i tidskriften Naturfysik , i en artikel av MIT-professorerna Nuh Gedik och Pablo Jarillo-Herrero, postdoc Anshul Kogar, doktorand Alfred Zong, och 17 andra på MIT, Harvard Universitet, SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, och Argonne National Laboratory.

Experimenten använde sig av ett material som kallas lantantritellurid, som naturligt formar sig till en skiktad struktur. I detta material, ett våglikt mönster av elektroner i hög- och lågdensitetsområden bildas spontant men är begränsat till en enda riktning i materialet. Men när den träffas med en ultrasnabb skur av laserljus - mindre än en pikosekund lång, eller under en biljondels sekund – det mönstret, kallas en laddningstäthetsvåg eller CDW, är utplånad, och en ny CDW, i rät vinkel mot originalet, dyker upp.

Den här nya, vinkelrät CDW är något som aldrig tidigare har observerats i detta material. Den existerar bara för en blixt, försvinner inom några fler pikosekunder. När det försvinner, den ursprungliga kommer tillbaka till synen, antyder att dess närvaro på något sätt hade undertryckts av den nya.

Gedik förklarar att i vanliga material, tätheten av elektroner i materialet är konstant genom hela volymen, men i vissa material, när de kyls under en viss temperatur, elektronerna organiserar sig i en CDW med alternerande områden med hög och låg elektrontäthet. I lantantritellurid, eller Sen ₃ , CDW är längs en fast riktning i materialet. I de andra två dimensionerna, elektrondensiteten förblir konstant, som i vanliga material.

Den vinkelräta versionen av CDW som visas efter laserljusskuren har aldrig tidigare observerats i detta material, säger Gedik. Det "blinkar bara kort, och sedan är det borta, "Kogar säger, ska ersättas av det ursprungliga CDW-mönstret som omedelbart dyker upp igen.

Gedik påpekar att "det här är ganska ovanligt. I de flesta fall, när du tillför energi till ett material, du minskar ordningen."

"Det är som om dessa två [typer av CDW] tävlar - när en dyker upp, den andra går bort, " säger Kogar. "Jag tror att det riktigt viktiga konceptet här är faskonkurrens."

Tanken att två möjliga materiatillstånd kan konkurrera och att den dominerande moden undertrycker en eller flera alternativa moder är ganska vanlig i kvantmaterial, säger forskarna. Detta tyder på att det kan finnas latenta tillstånd som lurar osedda i många typer av materia som skulle kunna avslöjas om man kan hitta ett sätt att undertrycka det dominerande tillståndet. Det är vad som verkar hända i fallet med dessa konkurrerande CDW-stater, som anses vara analoga med kristallstrukturer på grund av det förutsägbara, ordnade mönster av deras subatomära beståndsdelar.

I vanliga fall, alla stabila material finns i sina lägsta energitillstånd – dvs. av alla möjliga konfigurationer av deras atomer och molekyler, materialet sätter sig i det tillstånd som kräver minst energi för att upprätthålla sig själv. Men för en given kemisk struktur, det kan finnas andra möjliga konfigurationer som materialet potentiellt kan ha, förutom att de undertrycks av den dominanta, lägsta energitillstånd.

"Genom att slå ut den dominerande staten med ljus, kanske de andra staterna kan förverkligas, " säger Gedik. Och eftersom de nya tillstånden dyker upp och försvinner så snabbt, "du kan slå på och av dem, " vilket kan visa sig vara användbart för vissa applikationer för informationsbehandling.

Möjligheten att undertryckande av andra faser kan avslöja helt nya materialegenskaper öppnar många nya forskningsområden, säger Kogar. "Målet är att hitta faser av material som bara kan existera utanför jämvikt, " säger han - med andra ord, stater som aldrig skulle kunna uppnås utan en metod, som detta system med snabba laserpulser, för att undertrycka den dominerande fasen.

Gedik tillägger att "normalt, för att ändra fasen av ett material försöker du kemiska förändringar, eller tryck, eller magnetiska fält. I det här arbetet, vi använder ljus för att göra dessa förändringar."

De nya rönen kan hjälpa till att bättre förstå vilken roll faskonkurrens spelar i andra system. Detta kan i sin tur hjälpa till att svara på frågor som varför supraledning uppstår i vissa material vid relativt höga temperaturer, och kan hjälpa till i jakten på att upptäcka supraledare med ännu högre temperatur. Gedik säger, "Tänk om allt du behöver göra är att skina ljus på ett material, och detta nya tillstånd uppstår?"

Arbetet stöddes av det amerikanska energidepartementet, SLAC National Accelerator Laboratory, Skoltech-MIT NGP-programmet, Center for Excitonics, och Gordon och Betty Moore Foundation.