Физики создают стабильные «суперкристаллы»

Стимуляция сверхбыстрыми световыми импульсами может реализовывать и манипулировать состояниями вещества с возникающими структурными, электронными и магнитными явлениями. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Materials , сверхбыстрый лазерный импульс плюс «разочарование» привели к новому состоянию вещества – «суперкристаллу».

«Мы ищем скрытые состояния материи, выводя материю из ее удобного состояния, которое мы называем основным состоянием», – сказал профессор государственного университета Пенсильвании Венкатраман Гопалан, со-ведущий автор исследования.

«Мы делаем это, переводя электроны в более высокое состояние с помощью фотона, а затем наблюдая, как материал возвращается в свое нормальное состояние. Идея состоит в том, что в возбужденном состоянии или в состоянии, которое оно проходит на мгновение на пути к основному состоянию, мы найдем свойства, которые мы хотели бы иметь, такие как новые формы полярных, магнитных и электронные состояния. »

Нахождение этих состояний выполняется методом накачки, когда лазер запускает фотон в образце в течение 100 фемтосекунд на длине волны 400 нм (синий свет).

Свет накачки возбуждает электроны в состояние с более высокой энергией и быстро сопровождается пробным светом, который представляет собой более мягкий импульс света, который считывает состояние материала.

Задача профессора Гопалана и соавторов состояла в том, чтобы найти способ поддерживать промежуточное состояние материи, потому что это состояние может существовать всего лишь крошечную долю секунды, а затем исчезать. Тем не менее, исследователи обнаружили, что при комнатной температуре суперкристалл застрял в этом состоянии практически навсегда.

Они достигли этого, «расстроив» систему – не позволив материалу делать то, что он хочет, то есть позволить ему полностью минимизировать свою энергию без ограничений.

Ученые сделали это, используя одиночные атомные слои из двух материалов, титаната свинца и титаната стронция, сложенных в чередующиеся слои друг на друге для создания трехмерной структуры.

Титанат свинца – это сегнетоэлектрик, полярный материал, который имеет электрическую поляризацию, приводящую к положительным и отрицательным электрическим полюсам в материале. Титанат стронция не является сегнетоэлектрическим материалом. Это несоответствие вынудило векторы электрической поляризации идти по неестественному пути, изгибаясь обратно в себя, создавая вихри, как вода, стекающая по стоку.

Команда вырастила эти слои поверх кристаллической подложки, кристаллы которой были промежуточными по размеру между двумя слоистыми материалами. Это обеспечило второй уровень разочарования, так как слой титаната стронция пытался растянуться, чтобы соответствовать кристаллической структуре подложки, а титанат свинца должен был сжаться, чтобы соответствовать ему. Это привело всю систему в деликатное, но неустойчивое состояние с несколькими фазами, случайно распределенными в объеме.

В этот момент исследователи ударили материал лазерным импульсом, который сбрасывает свободные заряды в материале, добавляя дополнительную электрическую энергию в систему, загоняя ее в суперкристалл.

Эти суперкристаллы имеют элементарную ячейку – простейшую повторяющуюся единицу в кристалле – намного большую, чем любой обычный неорганический кристалл, с объемом в миллион раз больше, чем элементарные ячейки исходных двух материалов. Материал находит это состояние самостоятельно.

В отличие от переходных состояний, это сверхкристаллическое состояние потенциально сохраняется вечно при комнатной температуре – по крайней мере, год в этом исследовании – если оно не нагрето до примерно 350 градусов по Фаренгейту (177 градусов по Цельсию), где оно будет стерто.

Процесс можно повторить, ударяя материал световым импульсом и стирая при помощи тепла. Это состояние может быть создано только ультракороткими лазерными импульсами с определенным минимальным пороговым значением энергии, а не путем распространения этой энергии по длинным импульсам.

Ученые также использовали дифракцию рентгеновских лучей высокой энергии, чтобы исследовать суперкристалл до и после его формирования, ясно показывая превращение неупорядоченного вещества в суперкристалл.

«Благодаря своей короткой длительности импульса сверхбыстрый лазер впечатывает возбуждение в материалы быстрее, чем их собственное время отклика», – сказал первый автор исследования доктор Влад Стойка, доктор наук в Университете штата Пенсильвания и Аргоннской национальной лаборатории.

«Хотя такие динамические преобразования уже десятилетиями исследовались для стимулирования упорядочения материалов, стратегия стабилизации их устойчивого состояния до сих пор была недостижимой».