Auburnas Universitātes fiziķi atklājuši, kā ar īsiem lāzera gaismas impulsiem organizēt mikroskopiskus elektriskos apgabalus, kas atrodas kristāla iekšienē. Pētījumu vadīja Vensans Dzjiņs, Tomasa un Žana Volteru apveltītais asociētais profesors Auburnas Universitātes Fizikas departamentā, un doktorants Mohameds Kandils. Viņu pētījums Optical Poling of a Quantum Ferroelectric Metal across the Order-Disorder Phase Transition žurnālā Physical Review Letters saņēmis redaktoru ieteikuma statusu. Eksperimentā izmantotos kristālus izgatavoja Japānas Nacionālais progresīvās industriālās zinātnes un tehnoloģiju institūts.

Gadu desmitiem neatrisināts noslēpums kristālā

Pētnieki izpētīja modificētu stroncija titanāta formu — materiālu ar neparastu elektrisko īpašību kombināciju. Lai gan elektroni tajā var pārvietoties, kristālā atrodas arī ārkārtīgi mazi apgabali ar pozitīvi un negatīvi lādētām pusēm. Šos apgabalus dēvē par polārajiem nanoreģioniem. Šādas mikroskopiskas “salas” var būt vērstas dažādos virzienos vai arī savstarpēji izlīdzināties.

Izpratne par to, kā un kāpēc notiek šī izlīdzināšanās, ir būtiska, lai izskaidrotu materiāla īpašības un noskaidrotu, kā tās iespējams kontrolēt. Zinātnieki gadu desmitiem mēģinājuši noteikt, kas notiek, kad šie reģioni sakārtojas. Viena iespēja paredz, ka atomi pārvietojas kopā un izveido polarizēto stāvokli. Otra — ka sīkās elektriskās salas jau pastāv un temperatūras krišanās laikā tikai sāk vērsties vienā virzienā. Atšķirību var salīdzināt ar to, vai cilvēku grupa tiek izveidota no jauna, vai arī jau sapulcējušies cilvēki vienkārši pagriežas vienā virzienā. Tā kā šie apgabali ir ārkārtīgi mazi un rada ļoti vājus signālus, noskaidrot, kurš skaidrojums ir pareizs, bijis sarežģīti.

Lāzera eksperimenti atklāj elektriskās kārtības veidošanos

Lai izpētītu šo procesu, Auburnas pētnieki izstrādāja īpaši jutīgu sistēmu, kurā ar lāzeriem tika mērītas smalkas izmaiņas kristālā. Analizējot, kā materiāls mainīja uz to vērsto gaismu, zinātnieki varēja izsekot elektrisko reģionu orientācijai, atkārtoti uzsildot un atdzesējot paraugu.

Mērījumi atklāja skaidru likumsakarību. Augstākā temperatūrā sīkie reģioni bija vērsti šķietami nejaušos virzienos. Kristālam atdziestot, tie sāka ieņemt noteiktas, priekšrocīgas orientācijas. Tas sniedza pārliecinošus pierādījumus, ka elektriskās “salas” pastāvēja jau pirms izlīdzināšanās un ka atdzišana sakārtoja materiālā jau esošos reģionus, nevis radīja tos no jauna.

Gaismas uzplaiksnījums rada kārtību triljono sekundes daļu

Pētnieki ne tikai novēroja dabisko procesu, bet arī parādīja, ka īsi lāzera impulsi uz laiku spēj izlīdzināt elektriskās salas pat paaugstinātā temperatūrā, kad tās parasti paliktu nesakārtotas. Izmantojot optisku mērījumu, komanda konstatēja lāzera gaismas radīto rakstu.

Šis efekts ilga aptuveni vienu pikosekundi jeb vienu triljono daļu sekundes. Tomēr iespēja ar gaismu radīt un noteikt šādu elektrisko izlīdzināšanos piedāvā daudzsološu paņēmienu, lai pētītu, kā informāciju varētu kontrolēt ārkārtīgi lielā ātrumā.

Trīs gadu eksperimenti vainagojas ar atklājumu

Rezultātu sasniegšanai bija nepieciešama ilgstoša iekārtu pilnveidošana un tehniska precizitāte. Sadarbība sākās 2023. gada Amerikas Fizikas biedrības marta sanāksmē, kur Dzjiņs iepazinās ar Japānas pētniekiem, kuri spēja izgatavot eksperimentiem vajadzīgos specializētos kristālus.

Atgriežoties Auburnā, komanda gandrīz gadu pilnveidoja aprīkojumu, līdz tas spēja uzticami uztvert vājos optiskos signālus no mikroskopiskajiem elektriskajiem reģioniem. Nākamais uzdevums bija vēl sarežģītāks — izmērīt ārkārtīgi īso laika intervālu, kurā lāzera apgaismojums lika reģioniem izlīdzināties.

“Izrāviens notika 2025. gadā, kad Mohamedam beidzot izdevās novērot, kā nesakārtotie polārie reģioni lāzera apgaismojumā kļūst izlīdzināti. Redzēt, kā šis signāls parādās, komandai bija aizraujošs brīdis,” sacīja Dzjiņs.

Šis sasniegums bija arī nozīmīgs personisks pavērsiens Kandilam — viņa pirmais publicētais pētījums atspoguļo trīs gadu neatlaidīgu eksperimentālo darbu.

“Šis eksperiments patiesi ir Mohameda odiseja. Viņam bija vajadzīga trīs gadu neatlaidība, lai pabeigtu darbu un iegūtu savu pirmo publikāciju,” sacīja Dzjiņs.

Jaunas iespējas īpaši ātrām informācijas tehnoloģijām

Atklājums sniedz būtiskus pierādījumus par to, kā šajā neparastajā kristālā veidojas elektriskā kārtība, un vienlaikus izveido metodi tās manipulēšanai ar gaismu. Pētnieki tagad var ne tikai novērot materiāla iekšējo uzvedību, bet arī īslaicīgi ietekmēt tā mikroskopiskos elektriskos rakstus un noteikt radušās izmaiņas.

Praktiski pielietojumi vēl ir nākotnes iespēja, tomēr eksperimenti piedāvā jaunu veidu, kā pētīt straujos elektriskos procesus kvantu materiālos. Parādot, ka gaisma spēj kontrolēt līdz šim grūti uztveramus rakstus, Auburnas pētnieki pavēruši vēl vienu ceļu tādu tehnoloģiju izpētei, kas kādreiz varētu mainīt informācijas apstrādi un glabāšanu.