Загрузка галереи
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.
Загрузка галереи
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.
Загрузка галереи
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.
Ранее мы писали, как перестройку доменов в сегнетоэлектрике увидели в реальном времени.
Марат Хамадеев
При этом физики могли манипулировать каждым объектом отдельно
Группа физиков из Израиля и США продемонстрировала левитацию 25 микросфер из оксида кремния с помощью одного лазерного луча и акустооптического модулятора. В итоге ученые не только подвесили частицы в вакуумной камере, но и добились управления каждым объектом массива в отдельности, построив несколько геометрических фигур. Результаты опубликованы в Physical Review A.