Ferroelastic domain switching by ultrafast photoinduced strain

De solide wereld om ons heen is gebouwd op een verborgen architectuur: het kristalrooster. Stel je atomen voor die gerangschikt zijn in een perfect, herhalend raster, als soldaten die met de aandacht bij zich staan. De manier waarop deze soldaten staan en de ruimtes tussen hen bepalen of een materiaal magnetisch is, elektrisch geleidend, of in staat is om informatie te onthouden. Soms kan dit raster worden geduwd of getrokken, waardoor het hele materiaal van vorm of van interne orde verandert. Deze bekwaamheid om tussen verschillende toestanden te schakelen, vormt de basis van moderne technologie, van de geheugenchips in onze telefoons tot de sensoren in onze auto's. Decennialang wisten wetenschappers dat als je de vorm van dit atomaire rooster kon controleren, je de eigenschappen van het materiaal kon controleren. Het doen van dit proces op een snelle en precieze manier was echter een grote uitdaging, waarbij vaak logge machines of trage, op verhitting gebaseerde methoden nodig waren die de verfijning missen die nodig is voor de volgende generatie apparaten.

Een team onderzoekers aan de Radboud Universiteit in Nederland heeft nu een manier gedemonstreerd om deze interne toestanden te laten omschakelen met niets anders dan een flits van licht. Ze richtten zich op een specifiek type materiaal, een ferroelastisch kristal, dat uniek is omdat de "schakelaar" letterlijk een verandering in vorm, of rek (strain), is. In tegen tegenstelling tot andere materialen waar licht ze misschien opwarmt of hun magnetische eigenschappen indirect verandert, is in deze kristallen de vormverandering de primaire gebeurtenis. De onderzoekers wilden weten of een enkele, ongelooflijk snelle puls van infrarood licht de kristalstructuur genoeg kon vervormen om het te dwingen van de ene stabiele vorm naar een andere te schakelen. Hun antwoord was een definitief ja, wat een direct pad onthulde waarbij licht een tijdelijke druk creëert die de interne structuur van het materiaal in slechts enkele nanoseconden reorganiseert.

Het experiment vond plaats in een laboratorium in Nijmegen, waarbij een gespecialiseerde machine genaamd een vrije-elektronenlaser werd gebruikt om pulsen van infrarood licht te genereren. Het onderwerp was een klein, helder kristal van lanthanumalunaat, een materiaal dat vaak wordt gebruikt als basis voor andere hoogtechnologische films. Voor het experiment bestond het kristal uit een enkele, uniforme toestand, waarbij zijn interne atomaire rooster in één specifieke richting was uitgelijnd. De onderzoekers vuurden een enkele, hoogenergetische puls van infrarood licht af op het kristal, waarbij de focus werd gelegd op een plek ongeveer zo breed als een menselijke haar. Deze puls was ongelooflijk kort, duurde slechts enkele biljardsten van een seconde, maar droeg genoeg energie om de atomen binnen het kristalrooster te laten vibreren.

Wat er vervolgens gebeurde, was een race tegen de klok, vastgelegd door een tweede laser die fungeerde als een hogesnelheidscamera. Binnen de eerste miljardste van een seconde nadat de infraroodpuls het kristal raakte, begon het kristal te vervormen. De lichtenergie werd omgezet in warmte en beweging, waardoor een golf van rek door het materiaal rimpelde. Deze rek was niet uniform; het creëerde een specifiek patroon van strekken en drukken dat er van bovenaf uitzag als een klavertje vier. Het kristal werd fysiek in sommige richtingen getrokken en in andere geduwd, waardoor de hoeken tussen de atomen veranderden. Deze vervorming gebeurde bijna onmiddellijk, ruim voordat het materiaal de tijd had om af te koelen of tot rust te komen.

Enkele miljardsten van een seconde na deze initiële druk, begon de interne structuur van het kristal te veranderen. De onderzoekers observeerden dat de uniforme toestand van het kristal uiteenviel en werd vervangen door een nieuw patroon van regio's, of domeinen, elk met een andere oriëntatie. Deze nieuwe domeinen verschenen precies daar waar de rek het sterkst was, volgens het klavertje vier-patroon dat door het licht werd gecreëerd. Het kristal had effectief van vorm gewisseld om de spanning te accommoderen, en kwam tot rust in een nieuwe configuratie die stabieler was onder de tijdelijke omstandigheden die door de laser werden gecreëerd. Deze schakeling was geen traag, geleidelijk proces; het gebeurde snel, met een piek rond veertien miljardsten van een seconde na de initiële puls, en vervaagde toen langzaam terwijl het kristal zich over de volgende honderden microseconden terugkeerde naar zijn oorspronkelijke staat.

Het team analyseerde de timing en de vorm van deze veranderingen zorgvuldig om precies te begrijpen wat de schakeling aanstuurde. Ze vonden dat de nieuwe domeinen pas verschenen nadat de rek een bepaald niveau had bereikt, wat bevestigde dat de fysieke vervorming van het rooster de directe oorzaak van de schakeling was. Ze sloten andere mogelijkheden uit, zoals het simpelweg opwarmen van het materiaal door het licht tot een punt waarop het van fase veranderde, of de interactie van het licht met de elektronen op een manier die het rooster omzeilde. In plaats daarvan wezen de bewijzen op een mechanische oorzaak: het licht creëerde een rekveld, en het kristal reageerde door zijn atomen te herschikken om die rek te verlichten. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te modelleren hoe warmte van de laser door het kristal zou verspreiden, en deze modellen kwamen overeen met de experimentele waarnemingen, wat aantoonde dat de thermische expansie veroorzaakt door het licht voldoende was om de benodigde rek te genereren.

Deze ontdekking is significant omdat het bewijst dat licht kan worden gebruikt om de mechanische toestand van een materiaal met extreme snelheid en precisie te controleren. In het verleden vereiste het manipuleren van deze ferroelastische toestanden fysieke druk of trage thermische veranderingen, wat de snelheid en de minimale omvang van de schakelingen beperkte. Door een laserpuls te gebruiken, lieten de onderzoekers zien dat de schakeling in enkele miljardsten van een seconde kan plaatsvinden, een tijdschaal die de deur opent naar veel snellere gegevensopslag- en verwerkingstechnologieën. De ruimtelijke precisie van de methode is ook opmerkelijk; de nieuwe domeinen vormden zich precies waar het licht insloeg, wat suggereert dat toekomstige apparaten kunnen worden ontworpen door patronen van licht op een kristal te "schilderen" om specifieke vormen en structuren te creëren.

De studie benadrukt ook de nauwe verbinding tussen de vorm van een materiaal en zijn andere eigenschappen. Omdat de interne orde van het kristal gekoppeld is aan zijn vorm, zou het veranderen van de vorm met licht uiteindelijk gebruikt kunnen worden om de magnetische of elektrische eigenschappen in andere materialen die op dit kristal liggen, te schakelen. De onderzoekers merkten op dat dit mechanisme ook voor andere soorten kristallen zou kunnen werken, mits het licht is afgestemd om de juiste soort rek te creëren. Hoewel het huidige experiment een bewijs van concept was met een enkele puls, suggereren de resultaten een algemeen pad voor het controleren van materie met licht, reikend voorbij eenvoudige verhitting naar directe mechanische manipulatie.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het begrijpen van hoe kristallen zich gedragen. Het biedt een nieuw instrument voor ingenieurs en wetenschappers die proberen snellere, kleinere en efficiëntere apparaten te bouwen. Als de vorm van een materiaal met een flits van licht kan worden geschakeld, dan kan de informatie die in die vorm is opgeslagen, worden geschreven en gewist met snelheden die de huidige elektronica niet kan evenaren. De onderzoekers beweerden nog geen werkend apparaat te hebben gebouwd, maar zij hebben de fundamentele fysica gedemonstreerd die nodig is om dit mogelijk te maken. Ze toonden aan dat het rooster, het skelet van de solide wereld zelf, gemaakt kan worden om te dansen op het ritme van een laser, niet door magie of mysterie, maar door de directe, fysieke kracht van licht-geïnduceerde rek.

Uiteindelijk was het experiment een duidelijke demonstratie van oorzaak en gevolg. Een lichtpuls raakte het kristal, het kristal vervormde, en de vervorming dwong het kristal om zijn interne toestand te veranderen. De timing was precies, het patroon was voorspelbaar en het mechanisme was direct. Door het kristal in real-time te zien veranderen, overbrugden de onderzoekers de kloof tussen het abstracte idee van licht dat materie controleert en de concrete realiteit van atomen die naar nieuwe posities bewegen. Dit werk suggereert dat de toekomst van het controleren van materialen misschien niet ligt in complexe elektronische circuits of zware machines, maar in de eenvoudige, elegante toepassing van een gefocuste lichtstraal, die de zeer structuur van de solide wereld vormgeeft.