Американские ученые в своих поисках необыкновенных состояний материи разработали суперкристалл, задержав соединение из титанатов свинца и стронция в переходном состоянии после возбуждения вспышкой лазера. Описание работы и ее результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

При поглощении кванта света электрон переходит на более высокий электронный уровень, и атом, которому он принадлежит, входит в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии система несет избыточную энергию (в нашем случае — одного кванта света), которая может быть высвобождена излучением световой волны или тепловыми колебаниями. Возвращаясь в стационарное состояние, молекула, содержащая уже не один возбужденный атом, может проходить несколько квазистабильных состояний, называемых интермедиатами.

Венкатраман Гопалан, профессор факультета физики Университета штата Пенсильвания, с коллегами изучал переход вещества в стабильное состояние после импульсного возбуждения. На образец наводили лазерный луч с длиной волны 400 нм. Импульс длился 100 фемтосекунд (10^-12 секунды). Далее подключался измеряющий луч, который фиксировал переизлучение энергии веществом, регистрируя таким образом возвращение в исходное состояние.

Представьте, что с высокой горы сталкивают шар. Предположим, что поднять этот шар на гору помогла энергия лазера. Тогда возвращение в основное состояние — это падение шара вниз с горы. Для того, чтобы остановить шар на полпути, надо возвести на его пути преграду. Такой целью и задалась исследовательская группа.

Для этого ученые создали трехмерную структуру из чередующихся одноатомных слоев титаната свинца и титаната стронция. Титанат свинца — это сегнетоэлектрик, полярный материал при определенных температурах. Титанат стронция поляризацией не обладает. Несоответствие между природой веществ вынуждает векторы электрической поляризации изгибаться, создавая вихри (как вода в сливе ванны).

«Мы впервые наблюдали, что однократное сверхбыстрое лазерное облучение искусственного слоистого полярного материала может приводить к необычному состоянию, — комментирует Гопалан. — Необычная фаза состоит из трехмерной структуры с периодичностью порядка 30 нм. За размер строительных единиц образование назвали суперкристаллом».

В отличие от переходных состояний, суперкристаллическое стабильно и разрушается только при нагреве до 170°С. Таким образом, можно вводить вещество в состояние суперкристалла лазерным лучом и выводить простым нагреванием. В будущем материал послужит основой для разработки особых искусственных наноматериалов.