Исследователям удалось добиться долговременной стабилизации скрытого состояния материи, называемого суперкристаллом, путем «расстройства» вещества и воздействия сверхкоротких лазерных импульсов.
Несколько университетов и исследовательских лабораторий США занимались поиском и изучением новых фаз материи с необычными свойствами, которые не встречаются в естественных условиях. Для этого они выводили материю из основного состояния, повышая энергию электронов с помощью сверхкоротких лазерных импульсов (100 фемтосекунд) длиной 400 нм. Затем ученые наблюдали за процессом возвращения к комфортной фазе, чтобы зафиксировать необычные формы полярных, магнитных и электронных состояний.
Изначально задачей было найти способ поддержания промежуточного состояния материи, которое может существовать лишь крошечную долю секунды. Однако исследователи обнаружили, что одно из таких скрытых состояний, называемое суперкристаллом, можно стабилизировать практически навсегда.
Для этого команда использовала трехмерную структуру, состоящую из одноатомных слоев титаната свинца и титаната стронция, сложенных поочередно друг на друге. Титанат свинца является сегнетоэлектриком, а титанат стронция нет. Такое несоответствие вынудило векторы электрической поляризации идти по неестественному пути, изгибаясь назад к самим себе, создавая вихри.
Эти слои были выращены поверх подложки, кристаллы которой имели промежуточный размер, по сравнению с кристаллами двух сложенных материалов. Это обеспечило второй уровень неупорядоченности, поскольку слой титаната стронция пытался растянуться, чтобы соответствовать кристаллической структуре подложки, и титанат свинца должен был сжиматься. Это привело всю систему в деликатное, но нестабильное состояние с несколькими фазами, случайно распределенными в объеме.
В этот момент исследователи направили на материал лазерный импульс, который внес в систему дополнительную электрическую энергию, переводя ее в новое состояние вещества – суперкристалл. Его особенностью является огромный размер кристаллической решетки, который намного больше, чем у любого неорганического кристалла, и в миллионы раз больше, чем у двух исходных материалов.
Такое состояние материи поддерживается самостоятельно и в условиях комнатной температуры потенциально может сохраняться вечно (как минимум год, в течение которого проходили исследования). Однако вещество вернется в исходное состояние при нагреве выше 176 ºC, а для восстановления потребуется повторное воздействие лазерными импульсами. Причем подходят только сверхкороткие пучки с определенным минимальным пороговым значением энергии.
Для наблюдения за развитием необратимого структурного переупорядочения ученые использовали рентгеновскую дифракцию высокого разрешения в сочетании с визуализацией на наноразмерном уровне.
По словам исследователей, открытие позволит лучше изучить структуру суперкристалла и особенности перехода вещества к неупорядоченному состоянию. Они надеются, что это также поможет искусственно создавать новые типы наноматериалов, которые невозможно изготовить традиционными способами.
Напомним, что недавно физики нашли доказательства того, что звуковые волны могут переносить массу.