"Плетеный свет": трехмерные структуры в кристаллах могут изменить компьютерную память и фотонику

Физики из Еврейского университета Иерусалима с коллегами обнаружили спонтанно возникающую трехмерную "ткань" внутри кристалла.

Каждая ячейка кристалла сегнетоэлектрика (или ферроэлектрика) представляет собой микроскопический электрический диполь: при охлаждении положительный заряд чуть смещен относительно отрицательного. В результате в этих кристаллах образуются целые области (домены), где диполи ориентированы в одном направлении, и они влияют на поляризацию света. Этой поляризацией можно управлять с помощью внешнего электрического поля или лазера. Эти свойства сегнетоэлектриков давно используются в самых разных сенсорах и элементах оптики. Но до сих пор считалось, что домены в сегнетоэлектриках очень простые: в основном, это – двухмерные полосы.

Для нового исследования ученые взяли кристалл сегнетоэлектрика KTN:Li (ниобата-танталата калия с литием). Наблюдения показали, что при охлаждении кристалла диполи не просто выстраиваются вдоль плоскостей, они самоорганизуются в сложную объемную сеть из переплетенных нанопучков, где нити проходят друг под другом, образуя узор, похожий на текстильную ткань. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Лазер может локально распутать отдельный узел "плетенки", не повреждая окружающую ткань. Наличие управляемой трехмерной ткани дает новые инструменты для работы с информацией. В обычных чипах волноводы вытравливают раз и навсегда. Динамическая сеть внутри KTN:Li позволяет с помощью лазера менять структуру внутри прозрачного объема прямо "на лету", буквально прорисовывать и стирать объемные каналы для света. Другое применение такой оптической плетенки – перезаписываемая объемная память. Поскольку топологические узлы защищены своей геометрией от внешних шумов, записанные лазером элементы данных будут отличаться высокой надежностью и сверхвысокой плотностью.

"Это первый случай, когда кто-либо наблюдал плетеную структуру, спонтанно возникающую внутри твердого кристалла. Открытие не только раскрывает новую форму организации материи, но и показывает, что такие структуры могли остаться незамеченными в других системах. Иногда природа оказывается гораздо более изобретательной, чем предсказывают наши теории", – отмечают авторы работы.