Отличительная черта таких материалов — необычное поведение, которое возникает под действием электрического поля, что обеспечивает высокую чувствительность и способность накапливать энергию. Но в основе этих свойств лежит крайне сложный беспорядок на атомном уровне, о котором ученые до сих пор имели лишь очень приблизительные представления.
Теперь специалисты впервые смогли напрямую «увидеть» трехмерную атомную структуру такого материала. Результаты нового исследования обеспечивают гораздо более твердую базу для теоретических моделей, на которых строится разработка будущих электронных, вычислительных и сенсорных устройств.
Профессор материаловедения MIT Джеймса ЛеБо с коллегами Майклом Сю и Менглин Чжу изучили широко используемый релаксор — твердый раствор свинцового магний-ниобата и свинцового титаната (PMN‑PT), который широко применяется в сенсорах, актуаторах и военной технике. Теоретически ученые уже давно предполагали, что необычные свойства этого материала связаны с наномасштабными областями с различной поляризацией — локальной «ориентацией» электрических диполей. Но напрямую эти области никто не наблюдал, а расчеты зачастую строились на упрощенных или случайных схемах распределения зарядов.
Чтобы заглянуть внутрь материала, авторы работы использовали передовую методику — многосрезовую электронную птихографию (multi-slice electron ptychography, MEP). Узкий пучок высокоэнергетических электронов последовательно сканирует образец, а на каждом шаге фиксируется дифракционная картина. За счет перекрытия соседних областей можно с помощью вычислительных алгоритмов восстановить не только структуру, но и форму волновой функции электронов в трех измерениях.
Так удалось обнаружить целую «иерархию» структур: от отдельных атомов и их локального химического окружения до более крупных областей с различной поляризацией. Оказалось, что поляризованные домены и их комбинации устроены сложнее, чем предполагали прежние модели, а характерные размеры таких областей существенно меньше. Кроме того, были обнаружены четкие связи между конкретными ионами и тем, как они модифицируют локальную поляризацию.
Сопоставив экспериментальные данные с вычислительными моделями, ученые смогли существенно улучшить согласие расчетов с реальным поведением материала. Это важно не только для релаксор‑сегнетоэлектриков. Современное материаловедение все активнее использует сложные расчеты и методы искусственного интеллекта для разработки новых сплавов, полупроводников и функциональных кристаллов. Но без надежной верификации такие работы имеют мало смысла.
Работа также показала потенциал птихографии как универсального инструмента для изучения сложных, частично упорядоченных систем. Возможность напрямую связывать структуру на уровне отдельных атомов с макроскопическими свойствами открывает путь к более точному инженерному управлению материей — от нанотехнологий до будущих квантовых устройств.
Ранее левитирующий материал подтвердил теорию 160-летней давности.
Источник: hi-tech.mail.ru