Поиск - новости науки и техники

Секреты симметрии. Как снежинка отразилась в фотонике.

Ученые Уральского федерального университета добились интересных результатов, выясняя, как менять доменную структуру сегнетоэлектриков для создания на их основе новых волоконных лазеров. Сегнетоэлектрики – это кристаллические вещества, обладающие ориентированной в двух или нескольких направлениях спонтанной поляризацией. В ее переключении под воздействием электрического поля и заключается изменение доменной структуры. Актуальное и очень перспективное исследование, поддержанное Российским научным фондом, ведут сотрудники центра коллективного пользования “Современные нанотехнологии” УрФУ во главе с доктором физико-математических наук Владимиром Шуром. 
Красивый результат
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. 
Домены в динамике и статике
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.
Без колебаний
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.
Павел КИЕВ

На втором изображении: “Доменная снежинка”, дендритная доменная структура в ниобате лития

На третьем изображении: Элементы с периодической доменной структурой для преобразования частоты лазерного излучения

На четвертом изображении: Авторы первого патента на формирование доменной структуры Дмитрий Кузнецов, Станислав Негашев, Владимир Шур и Иван Батурин с золотой медалью и дипломом Женевского международного салона изобретений Снимок предоставлен УЦКП “Современные нанотехнологии” УрФУ

Нет комментариев