Да будет свет. От шоу к материаловедению.

Облучение ЛАЗЕРом для изменения прозрачности материала. Источник. 

Вам нравится ваш телевизор? Удобная штука, не правда ли? Картинки, фильмы, спорт, новости, музыка… И всё, что нужно – нажать на кнопку пульта и переключить канал. Покажи мы такое чудо нашим далёким предкам, им, возможно, не суждено было бы понять, что это не экран меняется, а только распределение света в нём. А теперь вспомните сколь часто в современных фантастических фильмах мелькают смартфоны и компьютерные мониторы в виде обыкновенного прозрачного стекла. Что вы об этом думаете?

А теперь представьте себе окно в вашей ванной комнате, которые может легко стать непроницаемым для света с одной стороны и остаться прозрачным – с другой. Пошли принять душ – просто нажмите кнопку: естественная освещённость никуда не денется, но интимность будет соблюдена. Или, скажем, любое окно в доме одним нажатием кнопки может стать зеркалом, телевизором или тем же компьютером.

Эти перспективы соблазнительны и сами по себе, но что, если мы вам скажем, что это не просто возможно, а ещё и многократно увеличит скорость работы таких устройств? Это лишь некоторые из потенциальных новшеств и до практического воплощения подобных технологий пока далеко, но теоретически они вполне реализуемы. И всё благодаря свету, ведь он намного быстрее электрона. И тут уже мечты начинают свершаться: применяя лазеры оптическая инженерия уже сегодня способна изменять свойства материалов – быстро и, самое поразительное, временно.

«Эти инструменты могут позволить вам изменять электронные свойства материалов одним щелчком выключателя света, – говорит профессор физики Калифорнийского технологического института Дэвид Шай. – Но технологии были ограничены проблемой, связанной с тем, что лазеры создают слишком много тепла в материалах».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда Шай, включая и ведущего автора работы, аспиранта Джуньи Шаня, сообщает об успехе применения лазеров в резком изменении свойств материалов без разрушительного избыточного теплообразования.

«Лазеры, необходимые для этих экспериментов, очень мощные, поэтому трудно не повредить материалы перегревом, – говорит Шань. – С одной стороны, мы хотим, чтобы материал подвергался воздействию очень интенсивного лазерного света. С другой стороны, мы не хотим, чтобы материал поглощал этот свет вообще».

Путём проб и ошибок команда нашла золотую середину в настройке частоты лазера. Это позволило проводить облучение с заметными изменениями свойств материала, но уже без выделения нежелательного тепла. Однако разным материалам нужна разная частота излучения. Расчёты показали определённые зависимости между этой самой частотой и параметрами изменяемых веществ.

Учёные также говорят, что нашли идеальный материал для демонстрации метода. Им оказался трисульфид марганцевого фосфора – полупроводник, естественным образом поглощающий довольно малое количество света в широком диапазоне инфракрасных частот. Однако в ходе облучения его интенсивными дозами лазера инфракрасного спектра, длившимися 10-13 секунд каждая, энергию электронов внутри материала удалось изменить достаточно быстро. Результатом экспериментов оказался переход материала из очень непрозрачного состояния (для определенных цветов – частот светового спектра) в очень прозрачное.

Однако исследователи делают акцент на том, что ещё более важным является другой факт. А именно – то, что этот процесс является обратимым. То есть изменения не касаются природы материала, а само световое воздействие имеет влияние лишь на некоторые его свойства. Когда лазер выключается, материал возвращается в исходное состояние мгновенно и совершенно невредимым. 

Это стало возможно только благодаря тому, что материал не нагревался. Если бы он поглощал лазерный свет и, следовательно, нагрелся, необходимое на рассеивание тепла время обернулось бы либо закреплением изменённых свойств, либо полной их трансформацией вследствие перегрева. Исключение же нагрева из системы делает процессы обратимыми. Это называется «когерентной оптической инженерией».

Если кратко описать механизм действия метода, то в полупроводнике происходит следующее: свет изменяет так называемые запрещённые зоны – промежутки между энергетическими уровнями электронов, на которые эти самые электроны не могут претендовать (то есть не могут закрепиться в этих промежутках). Причём важно, что это происходит без перехода электрона на другой уровень, что в ином случае влечёт выделение тепла.

Чтобы было понятнее можно представить атом в виде солнечной системы с планетами в роли электронов. Облучение лазерным импульсом со строго выверенной частотой словно бы раздвигает орбиты планет, отводя их друг от друга; но не выкидывая в пределы орбит следующих за ними планет, а словно бы деформируя их собственные. Таким образом увеличивается «полоса пропускания» между орбитами соседних планет (допустим – Землёй и Венерой), что влечёт рост «проводимости» пространства между ними. 

«Это, как если бы у вас была лодка, а затем прибывает большая волна и энергично раскачивает лодку вверх и вниз, не заставляя пассажиров упасть, – объясняет Шай. – Наш лазер сильно изменяет энергетические уровни материала, и это изменяет свойства материалов, но электроны остаются на месте».

Учёный мир и ранее предполагал алгоритм работы этого метода. Например, в 1960-х доктор наук Джон Х. Ширли, выпускник Калифорнийского технологического института, выдвинул математически оформленные идеи о том, как можно найти в материале уровни, занимаемые его электронами, с помощью света. Основываясь на этой работе, команда Шайя из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с теоретиками Мэнсин Йе и Леоном Баленцем из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре вычислила теоретически ожидаемые эффекты лазерного воздействия на трисульфид марганцевого фосфора. По словам профессора Шайя, теория соответствовала экспериментам с «замечательной» точностью.

Полученные данные означают, что теперь у нас есть возможность создавать настолько экзотические материалы (вплоть до квантовых магнитов, например), что естественным путём – то есть без использования света – их было бы не просто трудно, но зачастую даже невозможно создать.

«В принципе, этот метод может изменять оптические, магнитные и многие другие свойства материалов, – подчёркивает Шан. – Это альтернативный способ заниматься материаловедением. Вместо того, чтобы создавать новые материалы для реализации различных свойств, мы можем взять только один материал и в конечном итоге придать ему широкий спектр полезных свойств».

Вот-вот. Мы о том и мечтали. И ширма, и зеркало, и монитор в одном и том же окне…

АРМК, по материалам Caltech.