В стремлении к новым технологическим прорывам ученые все чаще обращают внимание на метастабильные состояния материи – нестандартные, промежуточные формы, которые обладают уникальными свойствами. В отличие от стабильного равновесия, к которому стремятся все материалы, эти состояния могут сохраняться относительно долго, открывая новые возможности в электронике, хранении информации и других областях.
Исследовательская группа под руководством Владимира А. Стойки из Национальной лаборатории Аргонна Министерства энергетики США, при участии профессора Венкатрамана Гопалана из Университета штата Пенсильвания, заинтересовалась метастабильными состояниями в особом сегнетоэлектрическом материале, состоящем из слоев сегнетоэлектрической и несегнетоэлектрической составляющих. Уникальность системы заключалась в конкуренции электронных конфигураций в этих слоях, что приводило к формированию закрученных вихревых структур. Эти вихри, подобно препятствиям на пути к равновесию, «запирают» материал в метастабильном состоянии.
Чтобы спровоцировать переход материала в новое состояние, ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы длительностью менее 100 фемтосекунд. Воздействие такого импульса приводит к резкому изменению структуры материала. Первым этапом этого процесса является «суповая фаза» – кратковременное хаотичное состояние, в котором разрушается первоначальный порядок, и материал превращается в горячую, заряженную «кашу».
Однако, вопреки ожиданиям, хаос не длится вечно. После «суповой фазы» система переходит в более упорядоченное состояние, которое исследователи назвали «суперкристаллом». Этот суперкристалл состоит из множества более мелких кристаллитов с реорганизованными вихревыми структурами. Удивительно, но этот новый порядок закрепляется и становится новой метастабильной фазой.
Для наблюдения за этими сверхбыстрыми изменениями потребовались уникальные инструменты. Исследователи использовали передовые рентгеновские лазеры, такие как Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser (SACLA) в Японии, а также рентгеновское излучение в Advanced Photon Source (APS) в Национальной лаборатории Аргонн. Эти установки позволили «сфотографировать» материал во время его перехода из одного состояния в другое с беспрецедентной детализацией.
Применение методов накачки-зондирования, сочетающих лазерное возбуждение и последующее рентгеновское зондирование, в сочетании с спектроскопией переходного поглощения, позволило измерить динамику структурных изменений с точностью до пикосекунд. С помощью рентгеновских лучей, которые на 33-ID-D и 7-ID-C каналах APS сканировали материал, было сделано трехмерное картирование структуры материала.
В 2019 году, команда сумела создать метастабильное состояние и зафиксировать структуру материала до и после его перехода, продемонстрировав возможность управления его состоянием. А результаты исследований были опубликованы в 2024 году в журнале Nature Materials.
Ключевую роль в формировании метастабильных состояний сыграло наличие конкурирующих электронных фаз внутри материала. Именно они создают «пороги», которые удерживают материал в этих нестандартных состояниях.
Исследование подчеркивает важность изучения неравновесных материалов и их потенциал для технологического прогресса. Уникальные свойства, которыми обладают метастабильные состояния, могут быть использованы для создания новых типов запоминающих устройств, высокоскоростных процессоров и других передовых электронных компонентов.
Ученые надеются, что полученные результаты дадут не только экспериментальное подтверждение существующим теоретическим моделям, но и стимулируют дальнейшие исследования в этой области. Коллаборация между различными университетами и национальными лабораториями, включая Центр наноматериалов (CNM) в Национальной лаборатории Аргонн, стала залогом успеха данного исследования.
Исследовательская группа под руководством Владимира А. Стойки из Национальной лаборатории Аргонна Министерства энергетики США, при участии профессора Венкатрамана Гопалана из Университета штата Пенсильвания, заинтересовалась метастабильными состояниями в особом сегнетоэлектрическом материале, состоящем из слоев сегнетоэлектрической и несегнетоэлектрической составляющих. Уникальность системы заключалась в конкуренции электронных конфигураций в этих слоях, что приводило к формированию закрученных вихревых структур. Эти вихри, подобно препятствиям на пути к равновесию, «запирают» материал в метастабильном состоянии.
Чтобы спровоцировать переход материала в новое состояние, ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы длительностью менее 100 фемтосекунд. Воздействие такого импульса приводит к резкому изменению структуры материала. Первым этапом этого процесса является «суповая фаза» – кратковременное хаотичное состояние, в котором разрушается первоначальный порядок, и материал превращается в горячую, заряженную «кашу».
Однако, вопреки ожиданиям, хаос не длится вечно. После «суповой фазы» система переходит в более упорядоченное состояние, которое исследователи назвали «суперкристаллом». Этот суперкристалл состоит из множества более мелких кристаллитов с реорганизованными вихревыми структурами. Удивительно, но этот новый порядок закрепляется и становится новой метастабильной фазой.
Для наблюдения за этими сверхбыстрыми изменениями потребовались уникальные инструменты. Исследователи использовали передовые рентгеновские лазеры, такие как Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser (SACLA) в Японии, а также рентгеновское излучение в Advanced Photon Source (APS) в Национальной лаборатории Аргонн. Эти установки позволили «сфотографировать» материал во время его перехода из одного состояния в другое с беспрецедентной детализацией.
Применение методов накачки-зондирования, сочетающих лазерное возбуждение и последующее рентгеновское зондирование, в сочетании с спектроскопией переходного поглощения, позволило измерить динамику структурных изменений с точностью до пикосекунд. С помощью рентгеновских лучей, которые на 33-ID-D и 7-ID-C каналах APS сканировали материал, было сделано трехмерное картирование структуры материала.
В 2019 году, команда сумела создать метастабильное состояние и зафиксировать структуру материала до и после его перехода, продемонстрировав возможность управления его состоянием. А результаты исследований были опубликованы в 2024 году в журнале Nature Materials.
Ключевую роль в формировании метастабильных состояний сыграло наличие конкурирующих электронных фаз внутри материала. Именно они создают «пороги», которые удерживают материал в этих нестандартных состояниях.
Исследование подчеркивает важность изучения неравновесных материалов и их потенциал для технологического прогресса. Уникальные свойства, которыми обладают метастабильные состояния, могут быть использованы для создания новых типов запоминающих устройств, высокоскоростных процессоров и других передовых электронных компонентов.
Ученые надеются, что полученные результаты дадут не только экспериментальное подтверждение существующим теоретическим моделям, но и стимулируют дальнейшие исследования в этой области. Коллаборация между различными университетами и национальными лабораториями, включая Центр наноматериалов (CNM) в Национальной лаборатории Аргонн, стала залогом успеха данного исследования.
