Каждая элементарная частица стремится попасть в состояние, в котором её энергия будет минимальна. Именно поэтому электроны в первую очередь занимают ближайшие к ядру атома орбиты, а химические реакции происходят тогда, когда новое состояние системы оказывается более энергетически выгодным. Геометрической фрустрацией называется ситуация, в которой система не может перейти к состоянию наименьшей энергии, например, из-за противоречивых атомных сил, действующих в ней, или из-за особенностей строения кристаллической решётки вещества.

Хорошо изучено явление геометрической фрустрации в магнитных системах – оно приводит к формированию веществ с необычными свойствами, таких как спиновый лёд, в котором возникают магнитные заряды, не привязанные к определённым физическим носителям.

В исследовании, опубликованном 9 февраля в журнале Nature, было показано, что геометрическая фрустрация наблюдается и в сегнетоэлектриках. Авторы работали с титанатом бария-стронция. С помощью методов Монте-Карло, позволяющих моделировать большое число возможных стохастических состояний, они изучали, как изменяются свойства кристаллической решётки при различных воздействиях. Выяснилось, что некоторые домены в кристаллической решётке могут проявлять нетипичное для сегнетоэлектриков поведение: вместо того чтобы оставаться в энергетически выгодном состоянии, электрические диполи самоорганизуются в сложные микроструктуры. Совместная активность диполей приводит к формированию внутри вещества необычных структур – кривых линий, спиралей, зигзагов и так далее.

«Все эти причудливые изменения – это признак геометрической фрустрации, – приводит слова Нараяни Чаудхури (Narayani Choudhury), первого автора работы, сайт Арканзасского университета. – Это открывает путь к новой области исследования сегнетоэлектриков».

Сегнетоэлектрики сегодня широко применяются в микроэлектронике, например, в мобильных телефонах или компьютерной памяти. Понимание того, при каких условиях в сегнетоэлектриках возникает геометрическая фрустрация и как именно она изменяет свойства материалов, может открыть совершенно новые сферы использования этих веществ.

Выполненная работа была основана на компьютерных вычислениях, а на следующем этапе учёные планируют синтезировать сегнетоэлектрики, вызывать в них геометрическую фрустрацию и исследовать, как именно она изменяет свойства веществ.

«Чёрный ящик только что открылся, и внутри нас ожидает много интересного», – говорит Чаудхури.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Narayani Choudhury, Laura Walizer, Sergey Lisenkov & L. Bellaiche. Geometric frustration in compositionally modulated ferroelectrics. – Nature. – 2011. – doi:10.1038/nature09752.