La plupart des gens pensent que l'eau n'existe que dans l'une des trois phases suivantes :glace solide, eau liquide, ou vapeur de gaz. Mais la matière peut exister dans de nombreuses phases différentes - glace, par exemple, a plus de dix phases connues, ou des façons dont ses atomes peuvent être disposés dans l'espace. L'utilisation généralisée des matériaux piézoélectriques, tels que les microphones et les ultrasons, est possible grâce à une compréhension fondamentale de la façon dont une force extérieure, comme la pression, Température, ou d'électricité, peut conduire à des transitions de phase qui confèrent aux matériaux de nouvelles propriétés.

Une nouvelle étude révèle qu'un oxyde métallique a une phase "cachée", celui qui donne du nouveau matériel, propriétés ferroélectriques, la capacité de séparer les charges positives et négatives, lorsqu'il est activé par des impulsions lumineuses extrêmement rapides. La recherche a été dirigée par les chercheurs du MIT Keith A. Nelson, Xian Li, et Edoardo Baldini, en collaboration avec Andrew M. Rappe et les étudiants diplômés de Penn Tian Qiu et Jiahao Zhang. Les résultats ont été publiés dans Science .

Leur travail ouvre la porte à la création de matériaux où l'on peut activer et désactiver des propriétés en un milliardième de seconde en appuyant simplement sur un interrupteur, maintenant avec un bien meilleur contrôle. En plus de changer le potentiel électrique, cette approche pourrait être utilisée pour modifier d'autres aspects des matériaux existants - transformer un isolant en métal ou inverser sa polarité magnétique, par exemple.

« Cela ouvre un nouvel horizon pour une reconfiguration matérielle fonctionnelle rapide, " dit Rappé.

Le groupe a étudié le titanate de strontium, un matériau paraélectrique utilisé dans les instruments optiques, condensateurs, et des résistances. Le titanate de strontium a une structure cristalline symétrique et non polaire qui peut être "poussée" dans une phase avec un polaire, structure tétragonale avec une paire d'ions de charges opposées le long de son axe long.

La collaboration précédente de Nelson et Rappe a fourni la base théorique de cette nouvelle étude, qui s'appuyait sur l'expérience de Nelson dans l'utilisation de la lumière pour induire des transitions de phase dans les matériaux solides ainsi que sur les connaissances de Rappe dans le développement de modèles informatiques au niveau atomique.

"[Nelson est] l'expérimentateur, et nous sommes les théoriciens, " dit Rappe. " Il peut rapporter ce qu'il pense qui se passe sur la base des spectres, mais l'interprétation est spéculative jusqu'à ce que nous fournissions une solide compréhension physique de ce qui s'est passé."

Avec les récentes améliorations technologiques et les connaissances supplémentaires acquises en travaillant avec des fréquences térahertz, les deux chimistes se sont mis à voir si leur théorie, maintenant plus d'une décennie, tenu vrai. Le défi de Rappe était de compléter les expériences de Nelson avec une version précise générée par ordinateur du titanate de strontium, avec chaque atome suivi et représenté, qui réagit à la lumière de la même manière que le matériau testé en laboratoire.

Ils ont découvert que lorsque le titanate de strontium est excité par la lumière, les ions sont tirés dans des directions différentes, avec des ions chargés positivement se déplaçant dans un sens et des ions chargés négativement dans l'autre. Puis, au lieu que les ions se remettent immédiatement en place, comme le ferait un pendule après avoir été poussé, les mouvements vibrationnels induits dans les autres atomes empêchent les ions de revenir immédiatement.

C'est comme si le pendule, au moment où il atteint la hauteur maximale de son oscillation, est légèrement dévié de sa trajectoire où une petite encoche le maintient en place loin de sa position initiale.

Grâce à leur forte histoire de collaboration, Nelson et Rappe ont pu aller et venir des simulations théoriques aux expérimentations, et vice versa, jusqu'à ce qu'ils trouvent des preuves expérimentales qui ont montré que leur théorie était vraie.

"Ce fut une collaboration vraiment géniale, ", dit Nelson. "Et cela illustre comment les idées peuvent mijoter puis revenir en force après plus de 10 ans."

Les deux chimistes collaboreront avec des ingénieurs sur de futures recherches axées sur les applications, comme la création de nouveaux matériaux qui ont des phases cachées, changer les protocoles d'impulsions lumineuses pour créer des phases plus durables, et voir comment cette approche fonctionne pour les nanomatériaux. Pour l'instant, les deux chercheurs sont enthousiasmés par leurs résultats et par où cette percée fondamentale pourrait mener à l'avenir.

"C'est le rêve de tout scientifique :faire éclore une idée avec un ami, pour tracer la conséquence de cette idée, puis avoir une chance de le traduire en quelque chose dans le laboratoire, c'est extrêmement gratifiant. Cela nous fait penser que nous sommes sur la bonne voie vers l'avenir, " dit Rappé.