ДОМЕНЫ ДЛЯ ЛАЗЕРА

 

Сегнетоэлектрики — это вещества, обладающие ориентированной в двух или нескольких направлениях спонтанной поляризацией. Области, где она однородна, называют сегнетоэлектрическими доменами. Переключать поляризацию или, иными словами, изменять доменную структуру можно за счет воздействия электрического поля.

«В первом приближении сегнетоэлектрики представляют собой электрический аналог ферромагнетиков, но физика явления качественно отличается», — поясняет Владимир Яковлевич. Например, формируемая магнитным полем доменная структура ферромагнетиков обычно сохраняется лишь на время воздействия. Если поле убрать — структура быстро изменяется. А в сегнетоэлектриках практически любая структура может быть «заморожена», т.е. сохранена после выключения электрического поля.

Эта особенность открывает большие возможности для исследователей. «С одной стороны, можно непосредственно наблюдать кинетику доменов, а с другой — остановить процесс и исследовать полученную статическую структуру методами микроскопии высокого разрешения», — говорит Шур. Ведь в данном случае ученые имеют дело с доменами размерами в десятки нанометров, а такие масштабы недоступны оптической микроскопии.

Изучение доменной структуры сегнетоэлектриков интересно еще и тем, что эти материалы могут рассматриваться как модельные для исследования кинетики фазовых превращений. «Это исключительно широкое и актуальное направление фундаментальной физики. Достаточно сказать, что классические теоретические работы по кинетике фазовых переходов, которые используют также специалисты, занимающиеся сегнетоэлектриками, выполнены для кристаллизации металлов в 1937 году знаменитым математиком Андреем Николаевичем Колмогоровым», — отмечает Шур. Формулу Колмогорова и сейчас используют для анализа эволюции доменной структуры. Причем опыт перенимается и в «обратную» сторону. «У нас есть публикации, которые достаточно активно цитируют коллеги, исследующие кинетику фазовых превращений, а не рост сегнетоэлектрических доменов», — добавляет Владимир Яковлевич.

 

Вначале у команды Владимира Шура «получались» в основном неупорядоченные доменные структуры. «Конечно, у нас были идеи, как изготавливать электроды, чтобы структуры были полностью воспроизводимыми. Сейчас мы уже научились это делать, но на первых порах немного задержались на этапе проб и ошибок», — самокритично поясняет ученый.

Работа проводится в контакте с теоретиками, которых заинтересовало, как формируется структура. «Зарегистрировать динамику роста доменов — задача сложная с учетом того, что переключение происходит при высоких температурах, но и ее нам удалось решить», — говорит Шур. Сейчас в распоряжении исследователей есть фильмы, на которых заснят весь процесс от зарождения до формирования структур.

Недавно ученым удалось выявить полную аналогию между кинетикой доменов и ростом классических дендритных кристаллов. Возникло предположение, что для анализа обоих явлений применимы сходные формулы. Владимир Шур приводит высказывание нобелевского лауреата американского физика Ричарда Фейнмана о том, что, если одинаковая формула может быть использована для описания различных процессов, то следует искать аналогию в процессах. «Естественно, что в основе формирования дендритных кристаллов и сегнетоэлектрических доменов лежат разные механизмы. Кинетика роста кристаллов определяется степенью переохлаждения, а рост доменов — напряженностью электрического поля. Но нам удалось найти сходства и построить модель, которая позволяет объяснить, почему в обоих случаях можно использовать похожие формулы», — поясняет Шур. По его словам, это открывает новый подход к описанию любых, даже крайне сложных, сценариев эволюции доменной структуры сегнетоэлектриков.

Накопился большой опыт и в области получения дендритных доменных структур, позволяющий перейти от выявления закономерностей к управлению процессом. «Если возникает самоорганизованная структура, то ее геометрия в значительной степени определяется дефектами системы. Мы же работаем с кристаллами, которые по однородности состава и качеству подготовки поверхности настолько совершенны, что доменные структуры определяются симметрией кристалла и законами роста, а не дефектностью», — поясняет Шур. Такого сорта вещи образуются и в природе, например, снежинки — образцы чистой симметрии. С сегнетоэлектриками ученые добились сходного результата.

Это одно из последних достижений группы еще не опубликовано в научных журналах. Владимир Яковлевич отмечает две причины, по которым команда не торопится с широкой оглаской: во-первых, доменные «снежинки» настолько красивы, что достойны обложки престижного журнала, а во-вторых, требует времени адекватное математическое моделирование.

«На первый взгляд кажется, что доменные «снежинки» — эта какая-то далекая от применения эстетика, но в действительности это не так. Понимание процесса роста доменов, позволит создавать самоорганизованные регулярные доменные структуры с необходимой геометрией», — говорит Шур. Это открывает новые возможности для дальнейшего развития доменной инженерии: в изготовлении доменных структур намечается переход от микронных размеров к субмикронным. «И тут, конечно, предстоит еще много работы. Несмотря на то, что уже существуют технические решения и даже патенты на использование субмикронных и нанодоменных структур, они до сих пор практически не реализованы. И наши последние достижения представляют собой существенное продвижение на пути к решению этих задач», — говорит ученый.

 

Сегнетоэлектрики используются в конденсаторах, пьезоэлектрических устройствах, электрооптических системах и различных температурных датчиках, но разработки Владимира Шура и его коллег в первую очередь ориентированы на устройства нелинейной оптики для преобразования частоты излучения, главным образом волоконных лазеров.

Благодаря полученным знаниям и успехам доменной инженерии создаются кристаллы с качественно новыми свойствами. Если говорить о преобразовании частоты, то при однократном пропускании света через пятимиллиметровый кристалл с регулярной доменной структурой, который делает команда Владимира Яковлевича, эффективность преобразования может превышать 70%. «Это выглядит, как чудо. И это самая высокая эффективность, которая может быть достигнута в лазере без резонатора», — говорит Шур. Отказ от использования резонатора особо важен для волоконных лазеров, так как с ним они теряют свое главное преимущество — низкую чувствительность к вибрациям.

По словам Владимира Яковлевича, ему посчастливилось общаться с Валентином Павловичем Гапонцевым, создателем зарегистрированной в США компании IPG Photonics, признанного лидера мирового рынка сверхмощных волоконных лазеров. «Валентин Павлович любит рассказывать, что первым сумел сделать лазер, который будет продолжать работать, даже если его уронить на пол. В то же время в традиционных лазерах резонатор требует регулярной юстировки», — говорит Шур. Уже сейчас разработки уральских ученых используются в лазерах, изготовляемых компанией Гапонцева. Но пока речь идет не о сверхбольших мощностях, а об источниках видимого света мощностью около 20 Ватт.

Члены команды Шура не только публикуют научные статьи, но и доводят свои идеи до практического применения: создано малое инновационное предприятие, на котором они проектируют и изготавливают устройства на базе сегнетоэлектриков с периодической доменной структурой. «Мы единственные в России, кто умеет это делать. В Европе у нас есть только один конкурент, а в мире — несколько. Нельзя сказать, что число заказов зашкаливает, но российские заказчики, как правило, обращаются именно к нам», — заключает Владимир Шур.