Las oscilaciones de alto nivel armónico iluminan los movimientos atómicos y electrónicos en el hBN

La luz láser puede cambiar radicalmente las propiedades de los materiales sólidos y convertirlos en superconductores o magnéticos o ponerlos en otros estados muy rápidamente. La luz intensa provoca estos cambios en millonésimas de segundo al "agitar" la estructura de la red atómica del material y poner en movimiento los electrones. Pero, ¿qué ocurre exactamente en este nivel elemental? ¿Cómo se mueven realmente los átomos y los electrones?

Ahora, un equipo de teóricos del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia, en Hamburgo, ha encontrado una nueva forma de arrojar luz sobre estos movimientos atómicos. En la revista científica PNAS, los investigadores describen cómo un pulso láser genera una emisión de luz con frecuencias más altas del material, los llamados armónicos superiores. Sin embargo, esta luz de alta energía no permanece igual, sino que cambia con cada movimiento de la red. A través de su intensidad cambiante, los armónicos altos proporcionan así "instantáneas" de los movimientos de los átomos y electrones en cada momento preciso.

El equipo estudió una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN) con un grosor de sólo un átomo, cuya red puede ser excitada para oscilar en unas decenas de femtosegundos. Después de que un primer pulso láser de "bombeo" haya desencadenado el movimiento colectivo de los átomos del material, un segundo pulso láser infrarrojo amplifica el movimiento de los electrones para que emitan luz con nuevas frecuencias: los armónicos altos. Éstas contienen información sobre las vibraciones de la red (también llamadas fonones), lo que proporciona a los científicos nuevos conocimientos detallados sobre estos movimientos atómicos.

Los resultados representan un gran avance en la comprensión de los cambios fundamentales de un material sólido irradiado por un láser intenso. El enfoque también triunfa por su eficacia, ya que hasta ahora estos movimientos elementales sólo podían observarse con fuentes de luz mucho más avanzadas.

Además, los científicos demostraron que las fases del primer láser también influyen en la interacción entre la luz y la capa de hBN en cuanto sus átomos comienzan a oscilar. De este modo, los investigadores* pueden determinar qué movimiento de la red fue provocado por cada fase del ciclo óptico del láser, como si pusieran en marcha un cronómetro en determinados momentos. El equipo ha desarrollado así una potente técnica espectroscópica con una resolución temporal extrema. Con este enfoque, los movimientos de la red pueden registrarse con una precisión de un femtosegundo, y sin necesidad de utilizar rayos X de alta energía o pulsos de attosegundo, que son técnicamente mucho más complejos.

"El resultado más importante de este trabajo es que proporciona una base para comprender qué papel desempeñan los fonones en las interacciones no lineales entre luz y materia", afirma el autor principal, Ofer Neufeld, del departamento de teoría del MPSD. "Con este enfoque, podemos estudiar la dinámica estructural de los femtosegundos en los sólidos, incluyendo las transiciones de fase, los estados mixtos luz-materia y también el acoplamiento entre electrones y fonones".