Суперкристалл: скрытая форма материи, созданная вспышкой света

Группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории совместно с Калифорнийским университетом в Беркли впервые создали стабильный «суперкристалл».

Это один из первых примеров нового состояния материи с долговременной стабильностью, преобразуемой энергией суб-пико-секундного лазерного импульса. Целью команды исследователей является обнаружение интересных состояний материи с необычными свойствами, которые не существуют в равновесии в природе.

«Мы ищем скрытые состояния материи, выводя материю из ее комфортного состояния, которое мы называем основным состоянием», — говорит руководитель команды Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения.

«Мы делаем это, возбуждая электроны в более высокое состояние с помощью фотонов, а затем наблюдаем, как материал возвращается в свое нормальное состояние. Идея состоит в том, что в возбужденном состоянии или в состоянии, через которое он проходит, за мгновение на пути к основному состоянию мы найдем свойства, которые хотели бы иметь, такие как новые формы полярных, магнитных и электронных состояний».

Обнаружение этих состояний выполняется методом накачки, когда лазер запускает фотоны в образец в течение 100 фемтосекунд на длине волны 400 нанометров — синий свет. Свет накачки возбуждает электроны в состояние с более высокой энергией, и за ним быстро следует пробный свет, который представляет собой более мягкий импульс света, который считывает состояние материала.

Задача команды состояла в том, чтобы найти способ поддержания промежуточного состояния материи, потому что состояние может существовать только в течение крошечной доли секунды и затем исчезать. Тем не менее, исследователи обнаружили, что при комнатной температуре суперкристалл застрял в этом состоянии практически навсегда.

Гопалан сравнивает эту задачу с посылкой мяча по склону горы. Мяч не успокоится, пока не достигнет подножия горы, если что-то не будет ему мешать, скажем, уступ. Команда ученых достигла этого, «расстраивая систему» ​​- не позволяя материалу делать то, что он хочет, то есть позволить ему полностью минимизировать свою энергию без ограничений.

Исследователи 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.

Ученые вырастили эти слои поверх кристаллической подложки, кристаллы которой были промежуточными по размеру между двумя слоистыми материалами. Это обеспечило второй уровень «фрустрации», поскольку слой титаната стронция пытался растянуться, чтобы соответствовать кристаллической структуре подложки, и титанат свинца должен был сжиматься, чтобы соответствовать ему. Это привело всю систему в деликатное, но «разочарованное» состояние с несколькими фазами, случайно распределенными в объеме.

В этот момент исследователи воздействовали на материал лазерным импульсом, который сбрасывает свободные заряды в материале, добавляя дополнительную электрическую энергию в систему, переводя ее в новое состояние вещества, 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 может сохраняться при комнатной температуре, по крайней мере, год в этом исследовании, если только оно не нагрето до 180 градусов по Цельсию, где оно будет стерто. Процесс можно повторить, ударяя материал световым импульсом и стирая при помощи температуры. Это состояние может быть создано только ультракороткими лазерными импульсами с определенным минимальным пороговым значением энергии, а не путем распространения этой энергии по длинным импульсам.

«Впервые мы наблюдали, что однократное сверхбыстрое лазерное импульсное облучение искусственно слоистого полярного материала может вызвать структурное совершенство на больших расстояниях, если исходить из относительного беспорядка», — сказали исследователи.

«Эта экспериментальная демонстрация уже стимулировала теоретические разработки и имеет важные последствия для будущей реализации искусственных наноматериалов, которые не достижимы при традиционном изготовлении».

Optical creation of a supercrystal with three-dimensional nanoscale periodicity, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0311-x , https://www.nature.com/articles/s41563-019-0311-x