Кристалл, который поворачивает свет по команде экспресс
Серебряно-ниобиевый оксид AgNbO₃ — это слоёный пирог из атомов серебра, ниобия и кислорода. При комнатной температуре он ведёт себя как обычный диэлектрик, но если его охладить, атомы начинают смещаться, и кристалл обретает электрическую поляризацию — как стрелка компаса, только вместо севера указывает направление внутреннего электрического поля. Долгое время было неясно, какая именно структура возникает при низких температурах.
Авторы новой работы провели компьютерный поиск всех возможных вариантов расположения атомов и нашли фазу, которую раньше не замечали. В ней кристаллическая решётка закручена в спираль: если смотреть вдоль одной оси, атомы поворачиваются либо по часовой стрелке, либо против. Такое свойство называют хиральностью — как у левой и правой перчатки, которые не совпадают при наложении. Оказалось, что направление закрутки жёстко связано с направлением поляризации: перевернул поле — перевернулась и спираль.
Эта связка даёт простой способ управлять оптическими свойствами: приложил напряжение — кристалл поменял закрутку, и свет стал проходить иначе. Никаких движущихся частей, только электрическое поле. Такие переключатели могут работать очень быстро и пригодиться в оптоэлектронике — там, где нужно модулировать свет для передачи данных или создания дисплеев нового типа.
AgNbO₃ — неорганический материал без свинца, что делает его безопаснее многих современных пьезоэлектриков. А возможность управлять хиральностью электрическим полем встречается крайне редко: обычно для этого нужны сложные молекулы или магнитные поля. Здесь же всё решается простым напряжением, как в обычной батарейке.
Хиральность важна в фармацевтике: лекарство с «неправильной» закруткой молекулы может быть бесполезным или даже вредным. В кристалле AgNbO₃ закрутку можно менять по желанию, что открывает путь к созданию материалов с настраиваемыми свойствами.
Управление светом электрическим полем напоминает технологию «световых мечей» из «Звёздных войн», где луч контролируется силовым полем. Правда, здесь речь о более скромных, но реальных переключателях.