В марте 2019 года одна исследовательская группа сообщила, что ей удалось посредством лазерного импульса создать кристалл с повторяющимися структурами, которые гораздо больше, чем у обычных объектов этого типа. То есть так называемый “суперкристалл». Данное описание кажется в высшей степени впечатляющим, вселяя чувство гордости за успехи человеческой цивилизации, но эта технология не является новой. Лазеры используются для придания материалам более упорядоченных состояний в течение уже нескольких десятилетий. Этот случай можно признать особенным и замечательным по другой причине — созданный суперкристалл мог сохранять приобретённое состояние в течение как минимум года.
Это один из первых материалов, созданный с помощью кратковременных импульсов, сохраняющий долговременную стабильность. И секретом его успеха стала так называемая «фрустрация«. Ученые пытались найти скрытые состояния вещества, извлекая его из зоны комфорта. Под бомбардировкой фотонами лазерной установки электроны материала возбуждаются, после чего стремятся минимизировать свою энергию и вернуться в так называемое основное состояние. Именно в этой переходной фазе вещество может иметь требующиеся учёным свойства, но чтобы обнаружить это, нужно действовать очень быстро, так как подолгу это не длится.
По этой причине исследователи обрабатывают материал импульсами длительностью менее одной пикосекунды, после чего, чтобы увидеть результат, освещают его более мягким светом. Естественно, даже самое полезное и потрясающее состояние материала не будет иметь никакой практической пользы, если оно исчезнет за мгновение. И исследователи нашли способ поддержать это возбужденное состояние — с помощью той самой «фрустрации«.
Это не то неприятное чувство, когда вас гонят спать от компьютера. И не разочарование более взрослого человека от того, что у него что-то не получается в жизни. Это то, что происходит с материалом, когда ему не дают вести себя так, как положено природой. Вещество, как уже было сказано, стремится неограниченно минимизировать расход энергии. Поэтому учёные создали материал, который имел несколько слоёв «ограничений». Всё зиждилось на кристаллической подложке, на которой были «выращены» слои атомов — в данном случае из титаната свинца и титаната стронция. При этом подложка по размеру была меньше одного и больше другого, и первый титанат вынужден был сжиматься, а второй растягиваться.
Затем несколько этих неестественно искривлённых слоев были сложены в чередующемся порядке. Это помогло создать ещё один уровень фрустрации. Титанат свинца сегнетоэлектрический, то есть имеет положительный и отрицательный электрические полюса. Про титанат стронция того же сказать нельзя, так как это будет неправдой. Чередование слоев с прямо противоположным свойствами приводило к тому, что векторы электрической поляризации неестественно изгибались, образуя что-то вроде вихря. Всё вместе это дало совершенно фрустрированный материал с несколькими случайно распределёнными фазами. Оставалось только слегка его подтолкнуть. С помощью лазера. Световой импульс продолжительностью менее пикосекунды возбудил материал. Он начал распределяться в одинаковые единичные ячейки, объём которых в миллион раз превышал структуру титанатов свинца и стронция, на которых строился. Это был уже не просто кристалл, а суперкристалл. Возможно, при комнатной температуре он может оставаться в этом состоянии вечно, но исследование длилось всего один год, и пока полностью можно быть уверенным только в этом количестве времени.
В общем, учёным удалось достичь и заморозить ранее мимолётную и неустойчивую промежуточную фазу состояния материала. Полученный результат поможет как следует изучить эти типы фазовых переходов, что однажды может привести к созданию новых наноматериалов, которые ранее были немыслимы. Они, возможно, будут иметь очень необычные свойства, например, находиться в полярных, магнитных и электронных состояниях, которые не встречаются в природе. Что же касается того кристалла, который был получен в результате описанного здесь эксперимента, он вернулся в нормальное состояние, когда его нагрели до 176 градусов по Цельсию. А потом ещё один лазерный импульс вновь преобразовал его в суперкристалл.
