Сегнетоэлектрическим материалам присуща электрическая поляризация, вызванная небольшим сдвигом в позициях части их атомов, который случается при падении температуры ниже определенной точки (так называемая точка Кюри). Поляризацию может включать внешнее электрическое поле – и эффект этот используется в некоторых компьютерных устройствах памяти.
Изучая происхождение причудливых поляризационных рисунков в сегнетоэлектрике титанате бария, Раджив Алувалиа (Rajeev Ahluwalia) и Натаниэь Нг (Nathaniel Ng) из сингапурского института A*STAR, натолкнулись на странную аномалию поляризационных рисунков в наномасштабных сегнетоэлектриках.
Сегнетоэлектрические кристаллы включают настоящее «лоскутное одеяло» наномерных доменов, в каждом из которых имеется свой уникальный рисунок поляризации. Но две различных техники визуализации показали прямо противоположные структуры этих доменов (в титанате бария).
Первый метод – просвечивающая электронная микроскопия (transmission electron microscopy, TEM) – где свойства кристалла исследуются с помощью пучка электронов, показал, что домены состоят из длинных полос, разделенных на четыре квадранта, причем суммарная поляризация в каждом квадранте указывает вовне или вовнутрь относительно поверхности материала. Другая техника, силовая микроскопия пьезотклика (piezoresponse force microscopy, PFM) – также показала квадрантную структуру, однако поляризации тут оказались параллельными поверхности, и суммарная поляризация кристалла образует замкнутую петлю.
Алувалиа и его коллеги предположили, что пучок электронов TEM меняет рисунок поляризации в исследуемом веществе. Разработанная учеными теоретическая модель показала, что рост плотности электронов в кристалле дает такой же рисунок поляризации, что они и наблюдали с TEM. Также они рассчитали, что радиальное электрическое поле, создаваемое пучком электронов, может быть «виновато» и в других особенностях рисунка.
При нормальных условиях электронный пучок не воздействует на домены. Но если пучок настолько мощен, что нагревает образец кристалла выше точки Кюри, материал теряет внутренне присущие ему поляризационные свойства. По мере охлаждения индуцированное пучком радиальное электрическое поле меняет форму доменов.
Открытие группы Алувалиа заставляет задуматься о том, что метод электронного пучка меняет те самые свойства, что ученые пытаются измерить с его помощью. Однако при этом пучки электронов можно использовать для целенаправленного изменения рисунков поляризации – что может пригодиться для нового поколения устройств памяти повышенной емкости, отмечает Алувалиа.