Фазовые переходы — фундаментальная часть физики и химии. Например, мы все знакомы с разными фазами воды, но идея системы частиц, изменяющих то, как она выглядит и как ведет себя, действительно широко распространена в науке. И хотя нам известен результат превращения воды в лед, точный процесс приводит к образованию множества различных видов льда: иногда лед прозрачный, а иногда нет, и разница связана с тем, как вы его замораживаете. Таким образом, изучение того, как происходит фазовый переход, многое говорит нам о фундаментальной физике и о результирующих фазах с обеих сторон.
На уровне квантовой физики применима та же идея. Мы можем видеть изменение системы из одного состояния в другое, когда мы медленно изменяем температуру до критической. Например, мы можем видеть, что материал становится твердым, точно так же, как мы можем наблюдать за образованием льда. Но мы не видим деталей на атомарном уровне в том виде, в каком они происходят. В недавнем исследовании ученые смогли преодолеть это и открыть механизм демонстрирующий то, как атомы перестраиваются из одной фазы системы в другую в атомных (пикосекундных) масштабах времени.
В данной работе исследовался CeTe3. Он является частью более крупного класса материалов — трителлуридов редкоземельных элементов. Если вы посмотрите на его атомную структуру при высоких температурах, этот материал построен как сложенная сетка квадратов. При понижении температуры квадраты превращаются в прямоугольники. Это может произойти в двух направлениях (назовем их A и B), но материал выбирает только одно. Что зависит от случайности — местных напряжений и деформаций в материале, вызванных дефектами.
В эксперименте ученые использовали ультракороткие интенсивные лазерные импульсы, чтобы ненадолго вывести систему из ее прямоугольного состояния "А", и наблюдали, как она пытается реформировать. Поскольку нет особенно сильной движущей силы к любому из состояний прямоугольника, система сформировала прямоугольники A и B. Поскольку один из прямоугольников (в пикосекундных атомных шкалах времени) доминирует над другим, остаются небольшие лужи "неправильного" состояния, от которых трудно избавиться, и они сохраняются в течение наносекунд (в 100 раз дольше).
Эти результаты говорят нам о фундаментальных аспектах того, как происходят фазовые изменения, как различные части материалов "общаются" друг с другом, чтобы выровнять свои атомы так, чтобы структуры совпадали, и каков энергетический ландшафт, на котором все это происходит.
Когда мы знаем, что происходит с квантовыми материалами и как они меняют свое состояние на атомном уровне, мы можем использовать эти знания для разработки новых и лучших устройств, таких как аппараты МРТ, и улучшения компьютерной памяти.