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.
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.