Учёные научились управлять свойствами материалов с помощью структурированного света

Визуализация деформации и трещин в наночастице вольфрамата висмута при различных условиях окружающей среды. Источник: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202504445

Исследователи из Политехнического института Ренсселера (RPI) разработали новые методы управления свойствами материалов с помощью света, что открывает путь к созданию нового поколения компьютерных чипов, фотоэлементов и других передовых материалов.

Профессор физики Мусса Н'Гом и профессор материаловедения Эдвин Фоутунг объединили свои знания в области оптики и материаловедения, чтобы изучить неизвестные ранее свойства материалов, которые могут лечь в основу будущих устройств.

«Мы можем использовать почти весь спектр света — от видимого до рентгеновского — для управления и изучения материалов, — пояснил Фоутунг. — Мы можем исследовать любую систему, от твёрдых конденсированных сред до мягких биологических тканей».

Два их исследования, посвящённых использованию структурированного света для изменения свойств материалов, были опубликованы в журнале Advanced Materials при участии коллег из RPI и Аргоннской национальной лаборатории.

Управление поляризацией с помощью «закрученного» света

В первой работе учёные показали, что могут модулировать поляризацию сегнетоэлектрических материалов с помощью «закрученного» света (имеющего спиральную волновую форму). Это даёт им контроль над внутренней поляризацией материала.

«Обычно фотоны света действуют как молоток, включая или выключая поляризацию, — объяснил Н'Гом. — Но с этой техникой фотоны работают как гаечный ключ: мы можем воздействовать на определённые атомы в кристалле и управлять конфигурацией электрического поля».

Исследователи смогли зафиксировать эти изменения с помощью рентгеновской визуализации. По словам Фоутунга, оптические фотоны позволяют манипулировать поляризацией, а рентгеновские — получать трёхмерные изображения структуры материала.

Это открытие может привести к созданию нового типа энергонезависимой памяти (FeRAM), которая будет компактнее и эффективнее современных DRAM-чипов.

Наблюдение за нанокристаллами в реальном времени

Во втором исследовании команда впервые получила 3D-изображения структурных изменений внутри нанокристаллов вольфрамата висмута (Bi₂WO₆) в реальном времени при воздействии тепла, газов и света.

Используя метод когерентной дифракционной визуализации Брэгга (BCDI), учёные наблюдали, как меняется форма и структура наночастиц в условиях, приближенных к реальным. «Это как рентгеновское зрение, позволяющее заглянуть внутрь нанокристалла во время его работы», — отметил Фоутунг.

Этот прорыв поможет в разработке более эффективных катализаторов и материалов для чистой энергии. Например, исследователи обнаружили, что интенсивный свет может вызывать фазовый переход в катализаторе, что позволяет включать или выключать каталитический процесс.

«Фотокаталитические материалы уникальны тем, что могут использовать свет для запуска химических реакций, — добавил Н'Гом. — Наша работа показывает, что структурированный свет может повысить их эффективность».

Профессор Джордж Корнисс, глава физического факультета RPI, назвал исследование «примером междисциплинарного подхода, который приведёт к созданию новых технологий, улучшающих нашу жизнь».

Дополнительная информация: Nimish P. Nazirkar et al, Manipulating Ferroelectric Topological Polar Structures with Twisted Light, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202415231
Jackson Anderson et al, Real-Time Tracking of Nanoscale Morphology and Strain Evolution in Bi₂WO₆ via Operando Coherent X-Ray Imaging, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202504445