Свет вместо электричества: учёные научились ультрабыстро управлять сегнетоэлектриками

Фотоиндуцированная структурная динамика и временная эволюция деформации. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63045-6

Сегнетоэлектрики считаются перспективными кандидатами для электроники будущего. Эксперимент на крупнейшем в мире рентгеновском лазере — European XFEL в Шенефельде под Гамбургом — показал, что их свойства можно с высокой точностью контролировать на ультракоротких временных масштабах с помощью света.

Международная команда исследователей под руководством Ле Фыонг Хоанг и Джузеппе Меркурио из European XFEL обнаружила новый способ чрезвычайно быстрого и точного управления свойствами сегнетоэлектрических материалов с помощью света. Этот прорыв может открыть путь к созданию более быстрых и энергоэффективных запоминающих устройств или электронных компонентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Сегнетоэлектрические материалы — это кристаллы, в которых положительные и отрицательные заряды слегка смещены друг относительно друга, создавая внутреннее электрическое поле — так называемую спонтанную поляризацию. Эту поляризацию можно обратить, приложив внешнее электрическое поле, что делает эти материалы идеальными для использования в качестве наноразмерных переключателей.

В данном исследовании учёные показали, что поляризацию можно изменять независимо от искажения кристаллической решётки, с которым она обычно тесно связана. До сих пор такая развязка лишь теоретизировалась — её никогда не наблюдали экспериментально. Процесс стал возможен благодаря ультракоротким высокоэнергетическим лазерным импульсам, которые возбуждали электроны в материале. Это позволило команде изменять поляризацию чрезвычайно быстро — менее чем за триллионную долю секунды.

На инструменте SCS исследователи изучали титанат бария (BaTiO₃), типичный сегнетоэлектрический оксид, используя исключительно яркие и интенсивные рентгеновские вспышки European XFEL вместе с оптическими лазерами. С помощью своих методов измерений они смогли отслеживать изменения поляризации материала, структуры решётки и электронного состояния в одинаковых условиях — с временным разрешением всего 90 фемтосекунд, или одной миллионной миллиардной доли секунды.

Они наблюдали, что уже через 350 фемтосекунд после возбуждения лазером поляризация значительно изменилась — без того, чтобы кристаллическая решётка успела заметно сместиться.

«Наши измерения показывают, что поляризацией в основном управляли фотовозбуждённые электроны, а не структурные искажения», — объясняет Ле Фыонг Хоанг.

«Эта развязка открывает новые возможности для проектирования будущих электронных компонентов», — добавляет Джузеппе Меркурио.

«До сих пор для достижения определённых состояний поляризации требовалось приложение электрических полей и сложные схемы. В будущем может быть достаточно световых импульсов. Также может стать возможным аналогичным образом управлять магнитными свойствами — например, в так называемых мультиферроиках, которые можно контролировать как электрически, так и магнитным способом», — прогнозирует Меркурио.

Исследование демонстрирует принципиально новый подход к управлению материалами — не только более быстрый, но и через механизмы, альтернативные типичному подходу настройки свойств материалов путём проектирования образца. Учёные убеждены, что это знаменует важный шаг на пути к светоуправляемой электронике с потенциально широким спектром применений в сенсорных технологиях, обработке данных и энергоэффективном хранении информации.

Дополнительная информация: Le Phuong Hoang et al, Ultrafast decoupling of polarization and strain in ferroelectric BaTiO₃, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63045-6

Источник: European XFEL