Суперкристалл: скрытая фаза материи, созданная вспышкой света

Трехмерное изображение суперкристалла из моделирования фазового поля с использованием программного обеспечения µ-PRO. Предоставлено: LQ Chen Group, Penn State

«Фрустрация» плюс импульс лазерного света привели к созданию стабильного «суперкристалла», созданного группой исследователей во главе со штатом Пенн-Стейт и Аргоннской национальной лабораторией совместно с Калифорнийским университетом в Беркли и двумя другими национальными лабораториями.

Это один из первых примеров нового состояния материи с долговременной стабильностью, преобразуемой энергией субпико-секундного лазерного импульса. Целью команды, поддерживаемой Министерством энергетики, является обнаружение интересных состояний материи с необычными свойствами, которые не существуют в равновесии в природе.

«Мы ищем скрытые состояния материи, выводя материю из ее комфортного состояния, которое мы называем основным состоянием», — говорит руководитель команды Penn State Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения . «Мы делаем это, возбуждая электроны в более высокое состояние с помощью фотона, а затем наблюдая, как материал возвращается в свое нормальное состояние. Идея состоит в том, что в возбужденном состоянии или в состоянии, через которое он проходит, за мгновение На пути к основному состоянию мы найдем свойства, которые хотели бы иметь, такие как новые формы полярных, магнитных и электронных состояний ».

Обнаружение этих состояний выполняется методом накачки, когда лазер запускает фотон в образце в течение 100 фемтосекунд на длине волны 400 нанометров — синий свет. Свет накачки возбуждает электроны в состояние с более высокой энергией и быстро сопровождается пробным светом, который представляет собой более мягкий импульс света, который считывает состояние материала. Задача команды состояла в том, чтобы найти способ поддержания промежуточного состояния материи, потому что состояние может существовать только в течение крошечной доли секунды и затем исчезать. Тем не менее, исследователи обнаружили, что при комнатной температуре суперкристалл застрял в этом состоянии практически навсегда.

Гопалан сравнивает эту задачу с посылкой мяча по склону горы. Он не успокоится, пока не достигнет подножия горы, если что-то не будет ему мешать, скажем, уступ. Команда достигла этого, «расстраивая систему» ​​- не позволяя материалу делать то, что он хочет, то есть позволить ему полностью минимизировать свою энергию без ограничений.

Исследователи сделали это, используя одиночные атомные слои из двух материалов, титаната свинца и титаната стронция, сложенных в чередующиеся слои друг на друге для создания трехмерной структуры. Титанат свинца — это сегнетоэлектрик, полярный материал, который имеет электрическую поляризацию, приводящую к положительным и отрицательным электрическим полюсам в материале. Титанат стронция не является сегнетоэлектрическим материалом. Это несоответствие вынудило векторы электрической поляризации идти по неестественному пути, изгибаясь назад к самим себе, создавая вихри, как вода, стекающая по стоку.

Команда Беркли вырастила эти слои поверх кристаллической подложки, кристаллы которой были промежуточными по размеру между двумя слоистыми материалами. Это обеспечило второй уровень «фрустрация», поскольку слой титаната стронция пытался растянуться, чтобы соответствовать кристаллической структуре подложки, и титанат свинца должен был сжиматься, чтобы соответствовать ему. Это привело всю систему в деликатное, но «фрустрация» состояние с несколькими фазами, случайно распределенными в объеме.

В этот момент исследователи ударили материал лазерным импульсом, который сбрасывает свободные заряды в материале, добавляя дополнительную электрическую энергию в систему, переводя ее в новое состояние вещества, суперкристалл. Эти суперкристаллы имеют элементарную ячейку — простейшую повторяющуюся единицу в кристалле — намного большую, чем любой обычный неорганический кристалл, с объемом в миллион раз больше, чем элементарные ячейки исходных двух материалов. Материал находит это состояние самостоятельно.

В отличие от переходных состояний, это сверхкристаллическое состояние потенциально может сохраняться при комнатной температуре, по крайней мере, год в этом исследовании, если только оно не нагрето до 350 градусов по Фаренгейту, где оно будет стерто. Процесс можно повторить, ударяя материал световым импульсом и стирая при помощи тепла. Это состояние может быть создано только ультракороткими лазерными импульсами с определенным минимальным пороговым значением энергии, а не путем распространения этой энергии по длинным импульсам.

Влад Стойка, постдокторант, совместно работавший между штатом Пенн и Аргоннской национальной лабораторией, и ведущий автор, использовали высокоэнергетическую рентгеновскую дифракцию для исследования суперкристалла до и после его формирования, наглядно демонстрируя превращение неупорядоченной материи в суперкристалл , Результаты были опубликованы сегодня (18 марта) онлайн в Nature Materials.

«Благодаря своей короткой длительности импульса сверхбыстрый лазер впечатывает возбуждение в материалы быстрее, чем их собственное время отклика», — сказал Стойка. «Хотя такие динамические преобразования уже десятилетиями исследовались для стимулирования упорядочения материалов, стратегия стабилизации их устойчивого состояния до сих пор была недостижимой».

Исследователи из Аргонны использовали рентгеновскую дифракцию высокого разрешения в сочетании с визуализацией на наноразмерном уровне для наблюдения за развитием необратимого структурного переупорядочения.

«Впервые мы наблюдали, что однократное сверхбыстрое лазерное импульсное облучение искусственно слоистого полярного материала может вызвать структурное совершенство на больших расстояниях, если исходить из относительного беспорядка», — сказали они. «Эта экспериментальная демонстрация уже стимулировала теоретические разработки и имеет важные последствия для будущей реализации искусственных наноматериалов, которые не достижимы при традиционном изготовлении».

«Сочетание рентгеновских лучей и сверхбыстрых оптических источников в усовершенствованном источнике фотонов дало нам лучшую возможность изучить наноразмерную структуру суперкристалла, а также способность понять, почему материал можно неоднократно менять от упорядоченного к неупорядоченному состоянию», — сказал Джон Фриленд, писатель-корреспондент «Оптическое создание суперкристалла с трехмерной наноразмерной периодичностью» и научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. «Эта информация вместе с моделированием дала нам очень глубокое понимание физики, лежащей в основе создания этой новой фазы».

Теоретическая группа Лун-Цин Чена в штате Пенн выполнила компьютерные расчеты, используя пакет программного обеспечения с фазовым полем mu-PRO, который близко имитировал экспериментальные результаты .

«Весьма примечательно, что наши моделирования фазового поля смогли предсказать трехмерные изображения суперкристалла в реальном пространстве, дифракционные картины которых в целом соответствуют экспериментальным, и определить диапазон термодинамических условий для стабильности суперкристалла. Интегрированные экспериментальные и вычислительные исследования чрезвычайно полезны и продуктивны », — сказал Чен. Другие члены команды из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли внесли свой вклад в эту работу.

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-supercrystal-hidden-phase.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...