Исследователи из Корнеллского университета разработали новаторский метод управления свойствами материалов с помощью сверхбыстрых импульсов инфракрасного света низкой частоты. Применяя эти импульсы к синтетическим тонким пленкам, они могут вызывать быстрое расширение и сжатие на атомном уровне в решетке материала. Этот эффект «дыхания», вызванный деформацией, открывает возможности для быстрого включения и выключения электронных, магнитных или оптических свойств материала.
Исследование, опубликованное 12 сентября 2025 года в журнале Physical Review Letters, было совместно проведено Якобом Голльвитцером и Джеффри Каретом. Команда исследователей, в которую входят доценты Николь Бенедек и Андрей Сингер, изучала манипулирование свойствами материалов с помощью света — подход, который менее изучен по сравнению с традиционными методами механической деформации. Бенедек использовала вычислительную теорию для прогнозирования оптимальных частот света и экспериментальных параметров.
Эти параметры, в сочетании с подходящими материалами, были определены как решающие для достижения обратимой «динамической» деформации, которая представляет собой временное изменение формы, рассеивающееся со временем, в отличие от статической деформации. Для исследования были выбраны лантаналюминат из-за его простоты и минимальных собственных свойств, что делает его идеальным для изучения индуцированных светом деформаций.
Исследователи использовали пикосекундные вспышки терагерцового света для возбуждения определенных атомных движений, что привело к быстрому расширению решетки. Этот процесс не только вызвал желаемую деформацию, но и необратимо улучшил кристаллическую структуру материала, приведя к более упорядоченному состоянию. Эти результаты открывают новые пути для управления свойствами материалов с помощью света, потенциально продвигая такие технологии, как сверхбыстрые переключатели, настраиваемые сверхпроводники и динамические датчики.
Понимание взаимодействия света со сложными оксидными материалами позволяет исследователям получать доступ к свойствам, недостижимым стандартными методами. Исследование получило поддержку от Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Корнеллского центра материаловедения, при этом финансирование осуществлялось по программе MRSEC Национального научного фонда.
Исследования в области терагерцового излучения, расположенного между микроволнами и инфракрасным светом в электромагнитном спектре, обладают уникальными свойствами, делающими его идеальным для зондирования внутренних структур различных материалов. Терагерцовое излучение является неионизирующим и может проникать во многие непроводящие материалы, что делает его ценным инструментом для неразрушающего контроля качества многослойных продуктов в таких отраслях, как электроника, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность.
В материаловедении оно предлагает мощный инструмент для изучения роста, структуры и свойств новых слоистых материалов, включая двумерные материалы и метаматериалы, ускоряя разработку электронных и фотонных устройств следующего поколения. Этот подход, позволяющий получать изображения с высоким разрешением и без разрушения внутренних структур и свойств, обещает оказать глубокое влияние на различные научные и промышленные секторы, стимулируя инновации в материаловедении и контроле качества.
Исследователи из Корнеллского университета также продемонстрировали, что сверхбыстрый лазер может стабилизировать магнетизм в оксиде титана иттрия при температурах в три раза выше, чем было возможно ранее, что является многообещающим результатом для приложений в квантовых вычислениях и других устройствах следующего поколения. Способность управлять магнетизмом с помощью световых импульсов открывает перспективы для энергоэффективных, высокочастотных компьютеров и цифровых запоминающих устройств.