Суперкристалл: новое состояние вещества, созданное вспышкой света
Logo
Cover

Специалисты нескольких национальных лабораторий США представили первый пример нового состояния вещества с долгосрочной стабильностью, видоизмененной энергией лазерного импульса.

В задачу команды ученых под руководством профессора Университета штата Пенсильвания Венкатрамана Гопалана входит поиск скрытого состояния вещества. Для этого они выводят материал из состояния комфорта, которое называется основным. Идея в том, что в возбужденном состоянии или в состоянии, через которое вещество проходит на обратном пути, можно обнаружить новые, желательные свойства, например, необычные формы полярных, магнитных или электронных состояний.

Поиск таких состояний осуществляется насосно-зондовым методом: лазер стреляет фотоном в образец в течение 100 фемтосекунд при длине волны 400 нм.

Свет возбуждает электроны в высшее состояние и быстро следует за светом зонда, который считывает состояние вещества.

Задачей ученых было найти способ поддержания срединного состояния вещества, поскольку обычно оно существует лишь долю секунды, а затем пропадает. В ходе опытов они обнаружили, что при комнатной температуре суперкристалл остается в этом состоянии практически навечно, пишет Phys.org.

Профессор Гопалан сравнивает этот процесс с мячом, катящимся с горы. Он не остановится, пока не достигнет подножия или пока что-то не встанет у него на пути.

Такую «изгородь» и построили ученые, чтобы не дать веществу делать то, что оно хочет — полностью минимизировать энергию.

Для этого исследователи использовали два материала, титанат свинца и титанат стронция, взяв по слою толщиной в один атом каждого. Наложив их друг на друга, они получили трехмерную структуру. Титанат свинца — это ферроэлектрик, в отличие от титаната стронция. Эта разница заставляет векторы электрической поляризации двигаться неестественным образом, искривляясь и создавая завихрения, как утекающая в воронку вода.

Затем ученые вырастили эти слои на кристаллической подложке. Кристаллы создавали второй уровень «фрустрации», так как слой титаната стронция пытался растянуться, чтобы соответствовать структуре подложки, а титанат свинца должен был сжаться. В этот момент в вещество направили луч лазера, который заставил его перейти в новое состояние суперкристалла.

Элементарная ячейка этого суперкристалла намного больше, чем у любого обычного неорганического кристалла.

В отличие от переходного состояния, состояние суперкристалла может пребывать без изменений при комнатной температуре почти вечно — ученые наблюдали за ним как минимум год — пока температура не превысит 177 градусов Цельсия. Процесс можно повторять.

Это состояние возникает только при воздействии ультракоротких лазерных импульсов с определенным минимальным значением пороговой энергии.

В прошлом году другая группа американских ученых открыла новое состояние вещества, скрытое за сверхпроводимостью. Более того, оно оказалось метастабильным, то есть не превращалось в стабильное на порядок дольше, чем другие, более типичные переходные состояния материи.