Дэвид Натт, Корнелльский университет. под редакцией Лизы Лок , рецензент Роберт Эган
Автор: Якоб Голлвитцер и др.
Исследователи из Cornell Engineering продемонстрировали, что, облучая синтетическую тонкую пленку сверхбыстрыми импульсами низкочастотного инфракрасного света, они могут заставить ее атомарно расширяться и сжиматься миллиарды раз в секунду — это «дыхание», вызванное деформацией, потенциально можно использовать для быстрого включения и выключения электронных, магнитных или оптических свойств материала.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters . Соавторами статьи являются бывший научный сотрудник, получивший докторскую степень Якоб Гольвитцер, и докторант Джеффри Каарет. По словам Николь Бенедек, доцента кафедры материаловедения и инженерии, которая руководила проектом совместно с Андреем Сингером, доцентом кафедры материаловедения и инженерии в Корнеллском инженерном колледже, растяжение и сжатие материала для создания деформации является распространенным методом управления его свойствами, однако использование света для этой цели изучено меньше.
«С точки зрения теории, всякий раз, когда вы пытаетесь что-то сделать со светом, всё сразу становится очень сложным», — сказал Бенедек. «Когда материал взаимодействует со светом, мы не знаем, что происходит на детальном уровне, поэтому приходится стараться собрать как можно больше экспериментальной информации, чтобы построить модель». Бенедек использовал вычислительную теорию для прогнозирования оптимальной частоты света и других экспериментальных параметров, которые в сочетании с правильным материалом позволят достичь «динамической» деформации, которую можно будет обратить вспять.
«Обычно, когда мы выращиваем материалы под действием напряжения, то после синтеза материала напряжение уже не может измениться. Оно просто присутствует», — сказал Бенедек. «Но эта динамическая деформация — это очень кратковременное изменение формы, которое затем исчезает». Исследователи определили, что они могут получить желаемую деформацию, испуская пикосекундные импульсы терагерцового света, которые по сути имеют ту же низкую частоту, что и фононы — тип решеточных колебаний, которые являются звуковым эквивалентом фотонов и распространяются в материале как звуковые волны.
«Атом может качаться вокруг своей оси, как ребёнок на качелях», — сказал Сингер. «Если раскачивать его с нужной частотой, можно увеличить амплитуду колебаний атома, и именно это мы и делаем. Мы настраиваем частоту и возбуждаем определённое движение атомов, которое приводит к быстрому расширению решётки. Свет создаёт совершенно новое состояние материала, которое было бы невозможно создать иначе».
Исследователям нужен был подходящий материал для этого процесса. Они выбрали алюминат лантана, который, если говорить о тонких плёнках, не слишком эффектен. На самом деле, он довольно скучен. Вот почему они выбрали его.
«В обычном состоянии он не обладает какими-то выдающимися свойствами», — сказал Бенедек. «Поскольку теория очень сложна, мы хотели получить что-то максимально простое, и к этому материалу проявили интерес специалисты по свету. Мы выбрали его, потому что он должен был облегчить нам жизнь. Но потом он оказался очень интересным». Группа обратилась к Дарреллу Шлому, профессору кафедры материаловедения и инженерии Университета Тиш (инженерный факультет Корнеллского университета), который синтезировал материал методом оксидной молекулярно-лучевой эпитаксии. Эксперимент был проведён сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) с использованием лазера на свободных электронах . Анализ подтвердил, что воздействие на фононы сверхбыстрыми импульсами терагерцового света вызвало прогнозируемую деформацию. Но это ещё не всё: исследователи также обнаружили, что этот процесс необратимо улучшил структуру алюмината лантана. «Этого мы не ожидали», — сказал Сингер, чья группа проводила рентгеновскую характеризацию. «В этом конкретном материале домены одинаковой структуры, ориентированные по-разному и разделённые доменной границей. Возбуждённые фононы создают новую структуру, которая формируется на этой доменной границе и распространяется в поперечном направлении по поверхности плёнки. Мы создаём более кристаллическое, более упорядоченное состояние». У всех материалов есть свои пределы, и их можно растягивать и сжимать лишь до определённой степени. Однако использование низкочастотного света открывает новые возможности, такие как переключение между двумя различными состояниями в одном и том же материале, включение и выключение электронных и магнитных свойств , а также инициирование структурных перестроек, приводящих к сверхпроводимости. «Сочетание теории, синтеза и характеризации позволяет нам понять, как свет взаимодействует с семейством сложных оксидных материалов, и получить доступ к свойствам, выходящим за рамки того, что возможно при использовании стандартных методов», — сказал Сингер.
Дополнительная информация: Якоб Гольвитцер и др., «Пикосекундное расширение в LaAlO₂ , резонансно управляемое инфракрасно-активными фононами», Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/vzkw-n2bm
Информация о журнале: Physical Review Letters
Предоставлено Корнелльским университетом