Физики из Обернского университета научились короткими лазерными импульсами временно упорядочивать микроскопические электрические области внутри кристалла. Исследование помогает решить научную загадку, над которой учёные бились несколько десятилетий, и показывает, как свет меняет электрические свойства материала. В будущем этот подход пригодится исследователям, которые ищут способы быстрее обрабатывать и хранить данные.
Работу возглавили доцент физики Вэньцань Цзинь и аспирант Мохамед Кандиль. Их статью опубликовал журнал Physical Review Letters, а редакция отметила материал специальной рекомендацией. Нужные для опытов кристаллы вырастили специалисты из японского Национального института передовых промышленных наук и технологий.
Исследователи изучали модифицированный титанат стронция – вещество с редким сочетанием свойств. Хотя электроны свободно проходят сквозь этот кристалл, внутри него скрыты крошечные участки с положительным и отрицательным полюсами – так называемые полярные нанообласти. Такие «островки» могут смотреть в разные стороны или выстраиваться в одном направлении. Десятилетиями учёные спорили, почему возникает этот порядок. По одной гипотезе, атомы сдвигаются согласованно и только тогда поляризуют среду. По другой – электрические островки присутствуют в кристалле с самого начала, но в тепле направлены хаотично, а холод заставляет их повернуться в одну сторону. Проверить оба варианта не удавалось, так как нанообласти слишком малы и подают крайне слабый сигнал.
Чтобы проверить гипотезы, физики в Оберне собрали высокочувствительную оптическую установку. Они поочерёдно нагревали и охлаждали образец, а о положении островков судили по тому, как кристалл меняет падающий на него лазерный луч. Замеры дали однозначный ответ: когда образец оставался тёплым, нанообласти указывали в случайные стороны, но по мере того как кристалл остывал, они выбирали общее направление. Это доказало, что микроскопические островки существуют в материале изначально, а холод лишь выстраивает их в единую структуру.
Затем команда проверила, можно ли управлять этим процессом, не охлаждая образец. Оказалось, что короткий лазерный импульс способен временно выровнять полярные области даже в нагретом кристалле, где в обычных условиях они остаются разрозненными. Эффект держался примерно одну пикосекунду – триллионную долю секунды, однако оптические датчики уверенно его уловили.
Путь к этому результату занял три года. Учёные начали работать вместе в марте 2023 года на конференции Американского физического общества, где Вэньцань Цзинь договорился с японскими коллегами, что те вырастят нужные кристаллы. Почти год в Оберне настраивали приборы, чтобы надёжно улавливать слабые сигналы. Ещё труднее оказалось зафиксировать сверхкороткий интервал, на который свет выстраивал нанообласти. Прорыв случился в 2025 году, когда Мохамед Кандиль впервые увидел в данных нужный оптический отклик. По словам Цзиня, для аспиранта этот трёхлетний эксперимент стал первой опубликованной научной работой.
Новый метод позволяет учёным не просто наблюдать за процессами внутри квантовых материалов, но и активно влиять на них светом. Хотя до практических устройств ещё далеко, эксперименты показывают, как можно контролировать сверхбыстрые электрические явления в твёрдых телах, что в перспективе поможет создать более быструю электронику.
