Сверхбыстрое разделение поляризации и деформации в сегнетоэлектрике BaTiO₃
Международная группа исследователей под руководством Ле Фыонг Хоанга и Джузеппе Меркурио из European XFEL открыла новый способ чрезвычайно быстрого и точного управления свойствами сегнетоэлектрических материалов с помощью света. Учёные продемонстрировали, что поляризация может изменяться независимо от искажения решётки, с которым она обычно тесно связана. До сих пор такое разделение существовало лишь в теории и никогда не наблюдалось экспериментально. Этот процесс стал возможен благодаря сверхкоротким высокоэнергетическим лазерным импульсам, возбуждающим электроны в материале. Это позволило учёным изменять поляризацию чрезвычайно быстро — менее чем за одну триллионную долю секунды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Рис. Фотоиндуцированная структурная динамика и временная эволюция деформации. Источник: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63045-6
Эксперимент проводился на установке SCS с использованием титанат бария (BaTiO₃), прототипичный сегнетоэлектрический оксид, используя исключительно яркие и интенсивные рентгеновские вспышки европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в сочетании с оптическими лазерами. В ходе эксперимента удалось отследить изменения поляризации, структуры решетки и электронного состояния материала в условиях с временным разрешением всего 90 фемтосекунд, или одну миллионную миллиардной доли секунды.
Обнаружено, что всего через 350 фемтосекунд после возбуждения лазером поляризация уже существенно изменилась, хотя кристаллическая решётка ещё не успела заметно сместиться. Оказалось, что поляризация в первую очередь определялась фотовозбуждёнными электронами, а не структурными искажениями. Такое разделение открывает новые возможности для проектирования будущих электронных компонентов.
До сих пор для достижения определённых состояний поляризации требовалось применение электрических полей и сложных схем. В будущем может быть достаточно световых импульсов. Возможно, аналогичным образом можно будет управлять и магнитными свойствами, например, в так называемых мультиферроиках, которыми можно управлять как электрически, так и магнитно.
