Naukowcy z Cornell Engineering opracowali innowacyjną metodę modyfikowania właściwości materiałów za pomocą ultraszybkich impulsów światła podczerwonego. Ta pionierska technika wywołuje szybkie rozszerzanie i kurczenie atomów w sieci krystalicznej materiału, co określa się jako efekt "oddychania" napędzanego odkształceniem. Kontrolowane "oddychanie" otwiera możliwości szybkiego włączania i wyłączania elektronicznych, magnetycznych lub optycznych właściwości materiału.
Wyniki badań, opublikowane 12 września 2025 roku w prestiżowym czasopiśmie *Physical Review Letters*, zostały wspólnie kierowane przez Jakoba Gollwitzera i Jeffreya Kaareta. Zespół badawczy, w skład którego wchodzili również profesorowie Nicole Benedek i Andrej Singer, badał manipulację właściwościami materiałów za pomocą światła, co stanowi alternatywę dla tradycyjnych metod mechanicznego odkształcania. Teoria opracowana przez Benedek była kluczowa dla przewidzenia optymalnych częstotliwości światła i parametrów eksperymentalnych niezbędnych do osiągnięcia "dynamicznego" odkształcenia, które jest odwracalne i zanika z czasem.
Do badań wykorzystano pikosekundowe impulsy promieniowania terahercowego, które wzbudzają określone ruchy atomowe, prowadząc do szybkiego rozszerzenia sieci krystalicznej. Co ciekawe, proces ten nie tylko wywołał zamierzone odkształcenie, ale również doprowadził do trwałego wzmocnienia struktury krystalicznej materiału, sprzyjając bardziej uporządkowanemu stanowi. To nieoczekiwane ulepszenie strukturalne uzyskane dzięki interakcji ze światłem otwiera nowe ścieżki dla udoskonalania materiałów.
Ta metoda znajduje swoje odzwierciedlenie w szerszych trendach w nauce o materiałach, gdzie ultraszybkie lasery, działające w zakresie femto- i pikosekundowym, umożliwiają precyzyjną obróbkę z minimalnym rozproszeniem termicznym. Zastosowanie promieniowania terahercowego do manipulacji materią jest również obszarem intensywnych badań, a impulsy o silnym polu mogą tworzyć nowe dynamiczne stany w materiałach poprzez wpływ na ich pola wewnętrzne. Zdolność ta rozciąga się na kontrolę geometrii sieci, co z kolei wpływa na porządek magnetyczny, nadprzewodnictwo i polaryzację ferroelektryczną.
Postęp w kontroli właściwości materiałów za pomocą światła może znacząco przyspieszyć rozwój w różnych dziedzinach technologicznych, w tym w tworzeniu ultraszybkich przełączników, dostrajanych nadprzewodników i zaawansowanych czujników dynamicznych. Zrozumienie interakcji światła z materiałami tlenkowymi pozwala naukowcom na dostęp do właściwości, które są nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnych metod.
Badania te otrzymały wsparcie od Departamentu Energii w ramach Biura Podstawowych Badań Naukowych oraz Cornell Center for Materials Research, finansowane przez program MRSEC Narodowej Fundacji Nauki. Prace te wpisują się w rosnące zainteresowanie wpływem światła na materiały, w tym w dziedzinie nanofotoniki, która bada interakcje światła z materią w skali nanometrycznej, otwierając nowe możliwości w optoelektronice i technologii sensorów.