Поиск - новости науки и техники

Управление спонтанным. Физики приручают сегнетоэлектрики.

Первым делом, конечно, наука. Но и про активный отдых забывать нельзя. Горные лыжи, сноуборд, покорение новых вершин – все это не только поднимает настроение и подзаряжает энергией, но и способствует новым научным прорывам. Гармоничное сочетание работы и досуга – кредо доцента кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем кандидата физико-математических наук Андрея Ахматханова из Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н.Ельцина. Андрей изучает кинетику доменной структуры в монокристаллах титанил-фосфата калия. Его работа поддержана грантом Президента РФ. 
– Титанил-фосфат калия – материал, обладающий сегнетоэлектрическими свойствами, – начинает рассказ А.Ахматханов. – Это означает, что в определенном диапазоне температур в нем возникает спонтанная электрическая поляризация, направление которой можно изменить под действием внешнего электрического поля. По сути, сегнетоэлектрические материалы – аналог ферромагнетиков (постоянных магнитов). Разница в том, что в ферромагнетиках существует обратимая спонтанная намагниченность, а не электрическая поляризация. Области с одинаковым направлением спонтанной поляризации в сегнетоэлектрике называются доменами. Именно наличие доменной структуры и возможность управления ею с помощью электрического поля стали основой для практических применений сегнетоэлектриков и, в частности, титанил-фосфата калия. 
Одно из важнейших применений – нелинейная оптика. Дело в том, что домены с различным направлением спонтанной поляризации обладают разными оптическими свойствами. И, создав доменную структуру определенной геометрии, можно реализовать в кристалле различные нелинейно-оптические преобразования. Например, на вход кристалла мы подаем излучение от лазера на длине волны 1064 нанометра в ближнем инфракрасном диапазоне, а на выходе получаем излучение второй гармоники – 532 нанометра, то есть зеленый свет. 
Другой вариант – преобразование излучения того же лазера на 1064 нанометра в среднюю инфракрасную область за счет параметрической генерации света, то есть распада одного фотона в нелинейно-оптическом кристалле на два фотона меньшей энергии (и, соответственно, большей длины волны). Основное условие в этом случае – выполнение закона сохранения энергии: сумма энергий двух образованных фотонов должна быть равна энергии начального фотона. 
Конкретная пара фотонов и, значит, то, каким будет преобразование, предопределяются правильным подбором геометрии доменной структуры и параметров зеркал резонатора, в котором происходит этот процесс. В итоге, преобразуя излучение распространенных лазеров, мы получаем лазерное излучение на других, недоступных ранее длинах волн. Такие новые источники на основе сегнетоэлектрических материалов с искусственно созданной доменной структурой используются, например, для удаленного зондирования атмосферы, поиска утечек природного газа из магистральных трубопроводов, диагностики различных заболеваний – имеется в виду анализ спектра выдыхаемого человеком воздуха. 
Монокристаллы титанил-фосфата калия интересны с практической точки зрения в первую очередь тем, что, в отличие от более распространенных сегнетоэлектрических кристаллов ниобата лития и танталата лития, они производятся в России. Поэтому исследование доменной структуры и развитие методов управления ею в этих материалах позволят в дальнейшем создавать нелинейно-оптические преобразователи лазерного излучения полностью на основе российской элементной базы.
– Как вы исследуете кинетику доменной структуры? 
– Сначала поясню, что такое кинетика доменной структуры. Под этим термином понимают закономерности перестройки и роста доменов во внешнем электрическом поле. Для ее исследования в нашей лаборатории мы используем набор взаимодополняющих методов. Во-первых, это непосредственное наблюдение кинетики в оптический микроскоп, а также анализ токов переключения, протекающих по цепи при приложении внешнего электрического поля к образцу. 
Но пространственное разрешение оптических методов ограничено величиной около 500 нанометров, поэтому для более детального исследования доменной структуры в сегнетоэлектриках применяют методы с высоким пространственным разрешением: сканирующая зондовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия и конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния. Пространственное разрешение в этом случае достигает двух нанометров. Несмотря на то что эти методы не позволяют видеть именно кинетику доменной структуры, то есть непосредственный рост доменов под действием внешнего поля, по статическим изображениям возможно восстановление определенных ее особенностей, происходящих на самых малых расстояниях. 
– Какие результаты уже есть у вас и применяются ли они где-то? 
– В нашем университете наработан большой опыт по исследованию кинетики доменной структуры в монокристаллах семейства ниобата лития и танталата лития, которые считаются основными материалами нелинейной оптики. Кроме детального изучения особенностей кинетики доменной структуры у представителей этого семейства, накоплен большой опыт в создании различных условий переключения поляризации, при которых наблюдается нетипичный рост доменов. 
Особенно интересны сценарии самоорганизованной кинетики, когда при однородном внешнем воздействии на систему в ней появляются различные сложноорганизованные квазипериодические структуры. Мы планируем использовать весь накопленный опыт для исследования монокристаллов титанил-фосфата калия. К слову, на основе монокристаллов ниобата лития и танталата лития мы уже сделали опытные образцы преобразователей частоты лазерного излучения. Главные сферы их применения сейчас – металлообработка, научные исследования, медицина.
– Как обстоит дело с приборной базой? Какое оборудование используете? Какое хотели бы, но нет возможности приобрести?
– Наши исследования в основном базируются на оборудовании Уральского центра коллективного пользования “Современные нанотехнологии” УрФУ. В нем находится аппаратура для исследования доменной структуры с высоким пространственным разрешением (сканирующая зондовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия и конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния), а также технологическое оборудование для механической обработки образцов (резка, шлифовка, полировка) и нанесения металлических и диэлектрических пленок на их поверхность.
– Исследования вы проводите в составе научной группы. Как в ней распределены роли? 
– Глава нашей лаборатории – Владимир Яковлевич Шур. Вся работа проходит при его участии и руководстве. В нашей группе, которая ведет проект по полученному гранту, кроме меня есть четыре соисполнителя: три аспиранта и один магистрант. Владимир Яковлевич обозначает направления исследований и принимает непосредственное участие в анализе конечных результатов и написании статей. От меня требуется руководство на “тактическом” уровне, анализ экспериментальных результатов и написание статей для научных журналов. Основной объем непосредственной экспериментальной работы ложится на соисполнителей по гранту – аспирантов и магистранта. Значительная часть гранта идет на выплату зарплат всем исполнителям. Кроме того, запланированы деньги на участие в конференции.
– Расскажите немного о себе.
– Я окончил Уральский государственный университет. Главный мой интерес, конечно же, наука. Ну а отдыхать стараюсь активно. Еще со второго курса, когда посещал скалолазную секцию, приобщился к пешим и горным походам. Той же группой, сформированной в университетские времена, мы до сих пор совершаем небольшие туристические вылазки. Занимаюсь плаванием. Вообще стараюсь “не закисать” и постоянно пробовать что-то новое: недавно попробовал сноуборд и горные лыжи. Оказалось тоже очень интересно. 
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фотоснимки предоставлены А.Ахматхановым

Нет комментариев