Китайские физики разработали новый метод лазерной печати сегнетоэлектрических доменов в ниобате лития, который не только позволяет преодолеть дифракционный предел, но и создавать трехмерные структуры в толще образца. Новый метод основан на локальном нагреве образца, в котором за счет термоэлектрического эффекта образуется поле, разворачивающее поляризацию вещества. Ученые продемонстрировали работоспособность метода, сформировав разнообразные фигуры и шаблоны, как плоские, так и объемные.

Исследование опубликовано в Nature.

Сегнетоэлектричеством называют способность материалов поддерживать спонтанную поляризацию в некотором диапазоне температур даже в отсутствии внешнего поля. Диэлектрическая проницаемость таких сред поддается настройке и обычно довольно велика, то есть сегнетоэлектричество — это, по сути, электрический аналог ферромагнетизма. Такие свойства делают сегнетоэлектрики крайне полезными для множества приложений оптики, акустики и электроники.

Примером такого материала можно назвать ниобат лития. Он хорош тем, что помимо сегнетоэлектричества демонстрирует нелинейные оптические свойства и высокий показатель преломления. Как и в остальных сегнетоэлектриках, упорядочивание диполей в ниобате лития происходит в пределах определенной области кристалла — домена. При миниатюризации устройств оптики или электроники инженерам требуется, чтобы размеры этих доменов принадлежали к наномасштабу. Однако существующие методы формирования доменов ограничены микронным масштабом. Кроме того, они позволяют работать только с двумерными материалами.

Группа китайских физиков под руководством Юна Чжана (Yong Zhang) из университета Нанджунга реализовали новый подход к печати сегнетоэлектрических доменов в ниобате лития с помощью лазера. В отличие от традиционных методов, основанных на наведении электрического поля световой волной и потому ограниченных дифракционным пределом, метод, предложенный авторами, опирается на нагрев образца с последующим термоэлектрическим эффектом. Таким способом им удалось печатать домены на нанометровом масштабе.

При фокусировке лазера в определенную точку материала свет может вызывать локальный нагрев, зависящий от интенсивности пучка. В ниобате лития это приводит к возникновению термоэлектрического поля, чей вектор напряженности направлен вдоль положительного градиента температуры, то есть в центр теплового пятна. Его модуль максимален в некоторой близости от центра, где поле может превышать порог, после которого становится возможен переворот поляризации.

Когда тепловое пятно возникает в области, в которой уже есть спонтанная поляризация, половина такого надпорового поля сонаправленно с ней, а половина — противонаправлено. Это приводит к тому, что движение лазерного пятна по образцу оставляет различный сред, в зависимости от того, в каком направлении относительно спонтанной поляризации оно движется. Таким способом физики реализовывали режим лазерного карандаша, то есть движения, которое «рисует» в образце область инвертированной поляризации, и лазерного ластика, который возвращает поляризацию обратно. Поскольку области надпороговой напряженности имеют эллиптическую форму, толщина рисуемой линии зависит от того, под каким углом к спонтанной поляризации движется пятно.

Пространственное распределение термоэлектрического (a) и порогового (b) полей (симуляция). © Срез распределения термоэлектрического поля. Эллипсами обозначены области, в которых модуль поля превышает пороговое значение. Движение пятна вдоль направления спонтанной поляризации (d) не оставляет следов, а против (e) или поперек (f) него – инвертирует домен (оптический карандаш). (g) Режим оптического ластика. / Xiaoyi Xu et al. / Nature, 2022

Таким способом физики нарисовали множество различных фигур и шаблонов: окружности, линейки, лучевые и параллельные решетки. В последнем случае у них получились нелинейные дифракционные решетки, которые позволяли генерировать вторую гармонику в первом дифракционном порядке. При этом комбинация карандаша и ластика позволила авторам сформировать домены толщиной до 30 нанометров, что существенно меньше дифракционного предела.

Линейка, нарисованная сегнетоэлектрическими доменами. Толщины рисок равны 200, 400 и 600 нанометрам, соответственно. / Xiaoyi Xu et al. / Nature, 2022

Наконец, ученые продемонстрировали, что, меняя глубину фокусировки лазерного луча, новый метод позволяет формировать трехмерные фигуры в толще образца. В качестве примера они изготовили трехмерную периодическую решетку из сегнетоэлектрических доменов.