Секреты симметрии. Как снежинка отразилась в фотонике.

Наноразмерные доменные “снежинки” — последнее достижение команды Владимира Шура. Дело в том, что у самоорганизованных структур геометрия в значительной степени определяется дефектами системы. Ученые же работают с кристаллами, которые по однородности состава и качеству подготовки поверхности настолько совершенны, что доменные структуры формируются в соответствии с симметрией кристалла и законами роста. Такого рода вещи образуются и в природе, например, снежинки — образцы чистой симметрии. С сегнетоэлектриками исследователи добились сходного результата.

Информация об этой работе еще не опубликована в научных журналах. Есть две причины, по которым команда не торопится с широкой оглаской: во-первых, полученный результат необходимо сопроводить адекватным математическим моделированием, а во-вторых, доменные “снежинки” настолько красивы, что достойны обложки престижного журнала. 

“На первый взгляд кажется, что наши “снежинки” — какая-то далекая от практики эстетика, но в действительности это не так. Понимание процесса роста доменов позволит создавать самоорганизованные регулярные доменные структуры с необходимой геометрией”, — говорит Владимир Шур. Это дает импульс для дальнейшего развития доменной инженерии: в изготовлении доменных структур намечается переход от микронных размеров к субмикронным. Конечно, предстоит еще много работы. Уже существуют технические решения и даже патенты на использование субмикронных и нанодоменных структур, но они до сих пор практически не реализованы. Уральские ученые существенно продвинулись в решении этих задач. 

По словам Владимира Шура, в первом приближении сегнетоэлектрики представляют собой электрический аналог ферромагнетиков, но физика явления качественно другая. Например, формируемая магнитным полем доменная структура ферромагнетиков обычно сохраняется лишь на время воздействия: если поле убрать — она быстро меняется. В сегнетоэлектриках же практически любая структура может быть “заморожена”, то есть сохранена после выключения электрического поля.

Эта особенность открывает широкие перспективы для исследователей. С одной стороны, можно непосредственно наблюдать кинетику доменов, а с другой — остановить процесс и изучить полученную статическую структуру методами микроскопии высокого разрешения. Ученые имеют дело с доменами размерами в десятки нанометров, а такие масштабы оптической микроскопии недоступны. Решена также проблема регистрации динамики роста доменов в условиях высоких температур. Сейчас в распоряжении исследователей есть фильмы, на которых заснят весь процесс от зарождения до формирования структур.

Выявленная аналогия между кинетикой доменов и ростом классических дендритных кристаллов позволила предположить, что для анализа обоих явлений применимы сходные формулы. Владимир Шур приводит высказывание нобелевского лауреата американского физика Ричарда Фейнмана о том, что если одинаковая формула может быть использована для описания различных процессов, то следует искать подобие в процессах. 

Но тут перед уральцами возникла проблема — в основе формирования дендритных кристаллов и сегнето­электрических доменов лежат разные механизмы: кинетика роста кристаллов определяется степенью переохлаждения, а рост доменов — напряженностью электрического поля. Но ученым все же удалось найти сходства и построить модель, которая позволяет объяснить, почему в обоих случаях можно использовать похожие формулы. По словам Шура, это открывает новый подход к описанию любых, даже крайне сложных, сценариев эволюции доменной структуры сегнетоэлектриков.

Хотя проект в большей степени ориентирован на решение прикладных задач, он может заинтересовать и теоретиков. Более того, доменные структуры сегнетоэлектриков могут рассматриваться как модельные для исследования кинетики фазовых превращений. Это исключительно широкое и актуальное направление фундаментальной физики. 

Автор одной из классических теоретических работ по кинетике фазовых переходов — знаменитый математик Андрей Колмогоров. Его формулу и сейчас используют специалисты, занимающиеся сегнетоэлектриками, для анализа эволюции доменной структуры. Опыт перенимается и в “обратную” сторону. “У нас есть публикации, которые достаточно активно цитируют коллеги, исследующие кинетику фазовых превращений, а не рост сегнетоэлектрических доменов”, — говорит Владимир Шур.

Сегодня сегнетоэлектрики используются в конденсаторах, пьезоэлектрических устройствах, электрооптических системах и температурных датчиках, но разработки Владимира Шура и его коллег в первую очередь ориентированы на устройства нелинейной оптики для преобразования частоты излучения, главным образом волоконных лазеров. 

Благодаря успехам доменной инженерии создаются кристаллы с качественно новыми свойствами. Если говорить о преобразовании частоты, то при однократном пропускании света через пятимиллиметровый кристалл с регулярной доменной структурой, который делает команда Шура, эффективность преобразования может превышать 70%. “Это выглядит как чудо. И это самая высокая эффективность, которая может быть достигнута в лазере без резонатора”, — говорит ученый. Отказ от использования резонатора особо важен для волоконных лазеров, так как с ним они теряют свое главное преимущество — низкую чувствительность к вибрациям.

В свое время Владимир Шур профессионально общался с Валентином Гапонцевым, создателем зарегистрированной в США компании IPG Photonics, признанного лидера мирового рынка сверхмощных волоконных лазеров. Гапонцев первым сумел сделать лазер, который продолжает работать, даже если его уронить на пол. В то же время в традиционных лазерах резонатор требует регулярной юстировки, то есть высокоточной настройки оптического прибора. Уже сейчас разработки уральских ученых используются в лазерах, изготовляемых компанией Гапонцева. Но пока речь идет не о сверхбольших мощностях, а об источниках видимого света мощностью около 20 ватт. 

Примечательно, что члены команды Шура самостоятельно доводят свои идеи до практического применения: создано малое инновационное предприятие, где они проектируют и изготавливают устройства на базе сегнетоэлектриков с периодической доменной структурой. “Мы единственные в России, кто умеет это делать. В Европе у нас есть только один конкурент, а в мире — несколько. Нельзя сказать, что число заказов зашкаливает, но российские заказчики, как правило, обращаются именно к нам”, — заключает Владимир Шур.