Estados ocultos de la materia

Un estado oculto de la materia es un estado de la materia que no se puede alcanzar bajo condiciones ergódicas y, por lo tanto, es distinto de las fases termodinámicas conocidas del material. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Existen ejemplos en sistemas de materia condensada , y se alcanzan típicamente por las condiciones no ergódicas creadas mediante fotoexcitación láser. ^{[ 3 ] [ 4 ]} También se han reportado estados ocultos de la materia de corta duración en cristales usando láseres. Recientemente se descubrió un estado oculto persistente en un cristal de sulfuro de tantalio(IV) (TaS ₂ ), donde el estado es estable a bajas temperaturas. ^{[ 2 ]} Un estado oculto de la materia no debe confundirse con el orden oculto , que existe en equilibrio, pero no es inmediatamente aparente o fácilmente observable.

Mediante pulsos láser ultracortos que inciden sobre materia sólida, ^{[ 3 ]} el sistema puede perder el equilibrio, de modo que no solo los subsistemas individuales pierden el equilibrio entre sí, sino también internamente. En tales condiciones, pueden crearse nuevos estados de la materia que no son alcanzables en condiciones de equilibrio, lo que da lugar a una evolución ergódica del sistema. Estos estados suelen ser inestables y se desintegran muy rápidamente, típicamente en nanosegundos o menos. ^{[ 4 ]} La dificultad reside en distinguir un estado oculto genuino de uno que simplemente se encuentra fuera del equilibrio térmico . ^{[ 5 ]}

Probablemente, el primer caso de un estado fotoinducido se describe para el compuesto molecular orgánico TTF-CA, que pasa de especies neutras a iónicas como resultado de la excitación por pulsos láser. ^{[ 4 ] [ 6 ] [ 7 ]} Sin embargo, una transformación similar también es posible mediante la aplicación de presión, por lo que, estrictamente hablando, la transición fotoinducida no es a un estado oculto según la definición dada en el párrafo introductorio. Algunos ejemplos adicionales se dan en la ref. ^{[ 4 ]} Se ha demostrado que la fotoexcitación produce estados persistentes en vanadatos ^{[ 8 ] [ 9 ]} y materiales de manganita, ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} dando lugar a trayectorias filamentosas de una fase de ordenamiento de carga modificada que se mantiene por una corriente que pasa. También se informó de superconductividad transitoria en cupratos . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En la figura se muestra un diagrama esquemático hipotético para la transición a un estado H por fotoexcitación (según ^{[ 4 ]} ). Un fotón absorbido provoca que un electrón pase del estado fundamental G a un estado excitado E (flecha roja). El estado E se relaja rápidamente mediante relajación de Franck-Condon a un estado intermedio localmente reordenado I. Mediante interacciones con otros de su tipo, este estado se ordena colectivamente para formar un estado metaestable macroscópicamente ordenado H, reduciendo aún más su energía como resultado. El nuevo estado tiene una simetría rota con respecto al estado G o E, y también puede implicar una relajación adicional en comparación con el estado I. La barrera E _B impide que el estado H revierta al estado fundamental G. Si la barrera es suficientemente grande en comparación con la energía térmica k _B T, donde k _B es la constante de Boltzmann , el estado H puede ser estable indefinidamente.