Физики Института Фрица-Габера (Германия) обнаружили новые оптические свойства у Ge₂Sb₂Te₅ (GST) — основного материала DVD-дисков. Оказалось, что он способен менять свою прозрачность, не меняя своей кристаллической структуры. Работа опубликована в журнале Nature Physics, а краткое изложение доступно на сайте общества Макса Планка.

Авторы работы изучали, как меняются свойства материала при переходе из кристаллического в аморфное состояние. Именно этот процесс отвечает за запись информации в DVD-дисках: под действием лазерного излучения небольшой участок в материале плавится и затвердевает уже аморфным, меняя свою прозрачность. В эксперименте физики облучали материал короткими импульсами инфракрасного лазера, длительностью 35 фемтосекунд (в одной секунде миллион миллиардов фемтосекунд), а после одновременно следили за изменениями в его структуре и оптических свойствах.

Оказалось, что изменение прозрачности примерно на 30 процентов происходит в первые 100 фемтосекунд после инициирующего импульса, в то же время структурные измерения наступают лишь спустя несколько пикосекунд (тысяч фемтосекунд). Затем происходит дальнейшее увеличение прозрачности почти в два раза.

Ученые связывают наблюдаемое явление с нарушением резонансного связывания в структуре материала. Так называют связи, в которых электроны связывают не два атома, а как бы перескакивают между большим количеством атомов. Такая ситуация возникает, когда в кристаллической решетке вещества есть атомы с полузаполненными p-орбиталями, расположенными рядом. Из-за своей распределенности, резонансное связывание может быть очень легко нарушено, что и наблюдалось в эксперименте. Теоретически, это означает, что можно добиться переключения только лишь оптических свойств, не меняя упорядочения атомов.

Схема перехода GST из кристаллического состояния в аморфное под действием фемтосекундного импульса излучения. Изображение: Lutz Waldecker et al., Nature Physics, 2015

По словам физиков, материалы с такими свойствами могут быть полезны при создании оптических интегральных систем, поскольку переключение прозрачности происходит в них очень быстро и при этом не требует изменения структуры вещества. Это важно, поскольку изменения кристаллической структуры непременно вызывают дефекты в материале, что уменьшает срок его службы. В сравнении с известным аналогичным эффектом в кремниевых материалах, происходит на порядок большее изменение диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства материалов как правило связывают с их кристаллической структурой. Существующие способы переключения оптических свойств связаны с различными фазовыми переходами в веществе и химическими превращениями. Новая работа демонстрирует исключение из этого правила.