El desarrollo de la fotografía con flash estroboscópico de alta velocidad en la década de 1960 por parte del profesor del MIT Harold Edgerton nos permitió visualizar eventos demasiado rápidos para el ojo: una bala perforando una manzana o una gota de leche golpeando un charco.
Ahora, mediante el uso de un conjunto de herramientas espectroscópicas avanzadas, los científicos del MIT y la Universidad de Texas en Austin han capturado por primera vez instantáneas de una fase metaestable inducida por la luz oculta del universo en equilibrio. Mediante el uso de técnicas de espectroscopia de disparo único, en un cristal 2D, con modulaciones de densidad electrónica a nanoescala, pudieron ver esta transición en tiempo real.
Con este trabajo, informaron los científicos, se mostró el nacimiento y la evolución de una fase cuántica oculta inducida por un pulso láser ultracorto en un cristal modulado electrónicamente. Indicaron, además, que, por lo general, hacer brillar los láseres en los materiales es lo mismo que calentarlos, pero, en este caso, la irradiación del cristal reorganiza el orden electrónico, creando una fase completamente nueva diferente de la de alta temperatura.
Este avance permitirá comprender el origen de tales fases cuánticas metaestables lo cual es importante para abordar preguntas fundamentales de larga data en la termodinámica sin equilibrio. Sin embargo, la clave de este resultado fue el desarrollo de un método láser de última generación que puede 'hacer películas' de procesos irreversibles en materiales cuánticos con una resolución de tiempo de 100 femtosegundos. Un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo.
Los investigadores desarrollaron un método único que implicaba dividir un solo pulso de láser de sonda en varios cientos de pulsos de sonda distintos que llegaban a la muestra en diferentes momentos antes y después de que el cambio fuera iniciado por un pulso de excitación ultrarrápido separado. Al medir los cambios en cada uno de estos pulsos de sonda después de que se reflejaron o transmitieron a través de la muestra y luego encadenaron los resultados de la medición como cuadros individuales, pudieron construir una película que proporciona información microscópica sobre los mecanismos a través de los cuales ocurren las transformaciones.
Al capturar la dinámica de esta transformación de fase compleja en una medición de un solo disparo, los autores demostraron que la fusión y el reordenamiento de la onda de densidad de carga conducen a la formación del estado oculto.
Si bien este estudio se llevó a cabo con un material específico, los investigadores dicen que ahora se puede usar la misma metodología para estudiar otros fenómenos exóticos en materiales cuánticos. Este descubrimiento también puede ayudar con el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos con fotorrespuestas bajo demanda.
El artículo sobre esta investigación fue publicado en Science Advances. El proyecto fue coordinado conjuntamente por Keith A. Nelson, profesor de química Haslam and Dewey en el MIT, y por Edoardo Baldini, profesor asistente de física en UT-Austin.