Создан первый стабильный суперкристалл

Международной команде ученых удалось зафиксировать ранее «неуловимое» состояние вещества – суперкристалл, сформировавшийся под воздействием кратких лазерных импульсов.

Суперкристаллы – давняя мечта ученых по всему миру, поскольку именно на их основе можно создать целый комплекс наноматериалов нового поколения. Проблема лишь в том, что суперкристалл – это временное состояние вещества, которое существует очень недолго, и стабилизировать его пока удавалось разве что в теории.

youtube
Нажми и смотри

Материаловед Венкатраман Гопалан из штата Пенсильвания заявил, что его команда «ищет скрытые состояния материи, выводя ее из «комфортного» способа организации, который мы привыкли называть основным». Исследователи делают это, возбуждая электроны с помощью фотонов и затем наблюдая, как материал возвращается в исходное состояние. Идея заключается в том, что в возбужденном состоянии (или в состоянии, в котором материал оказывается во время этого краткого процесса) можно обнаружить у веществ новые свойства.

Суперкристаллы нельзя сделать из любого материала. Команда использовала чередующиеся слои одноатомного титаната свинца и титаната стронция, сложенные в трехмерную структуру. Они вырастили эти слои на подложке из оксида диспандия-скандия, размер кристаллов которого как раз находится где-то между размерами кристаллов двух остальных веществ.

Титанат свинца — это сегнетоэлектрик, материал с положительными и отрицательными электрическими полюсами. Титанат стронция не является сегнетоэлектриком, и, поскольку эти материалы были наслоены друг на друга, векторы электрической поляризации должны были искажаться в необычных паттернах и создавать завихрения. Размер же кристаллов важен потому, что титанат стронция пытается растянуться, чтобы соответствовать размеру кристаллов подложки, а в титанат свинца, наоборот, сжимается.

В результате всех этих странных метаморфоз получается совершенно неорганизованная система с несколькими состояниями, распределенными по всему материалу. После этого ученые использовали так называемую методику «накачки-зондажа»: импульс синего лазера (который длится всего фемтосекунду) просвечивает материал и возбуждает его электроны. Затем следует более мягкий импульс «зондажа», позволяющий приборам считать состояние вещества.

В результате команда обнаружила, что вместо того, чтобы возвращаться к своему неорганизованному состоянию, материал пребывает в промежуточном состоянии суперкристалла в течение неопределенного периода времени. Он стабилен даже при комнатной температуре, и разрушается только при нагреве от 176 °С. Материаловед Влад Стойка объясняет это тем, что сверхкороткая длительность лазерного импульса «впечатывает» возбуждение в кристаллы быстрее, чем их собственное время отклика, так что они просто остаются в возбужденном состоянии. По его словам, данная работа – это существенный прогресс, ведь за десятилетия исследований ученым еще ни разу не удавалось получить стабильную структуру такого типа.

В чем отличие суперкристалла от обычного кристалла? У такого материала аномально большие элементарные ячейки (структурные единицы, из которых и состоит любой кристалл). Так, у данного вещества они как минимум в миллион(!) раз превышают размер ячеек титаната свинца и стронция. При этом ни о какой неупорядоченности речь не идет – все ячейки четко встали на свои места, подобно солдатам в идеальном строю.