Поверхность материала часто имеет свойства, которые сильно отличаются от свойств материала. Например, непроводящий кристалл, который на самом деле не проявляет магнетизма, может показывать намагниченность, ограниченную его поверхностью из-за того, как там расположены атомы. Эти отличные свойства на границах раздела и поверхностях материалов часто играют ключевую роль в разработке новых функциональных компонентов, таких как оптоэлектронные чипы или датчики, и поэтому являются предметом обширных исследований. Международная исследовательская группа из Геттингенского университета, Геттингенского института биофизической химии им. Макса Планка и Национального исследовательского совета Канады теперь преуспела в исследовании поверхности прозрачных кристаллов с использованием мощного лазерного излучения. Результаты исследования опубликованы в журнале. Nature Communications.
Исследователи описывают свой метод определения электрических и магнитных свойств поверхностей, основанный исключительно на свете. Этот новый метод может сыграть важную роль в исследовании прозрачных, непроводящих материалов, поскольку известные методы с использованием электронов часто испытывают экспериментальные ограничения из-за низкой проводимости, среди других трудностей. Использование света помогает обойти эти ограничения: когда световые лучи попадают на поверхность материала, например, на стеклянную панель, они отражаются на границе раздела, преломляются и поглощаются материалом. Эти эффекты, которые можно наблюдать в повседневной жизни, являются результатом взаимодействия слабого светового поля с атомами и электронами облучаемого материала. В случае более сильных световых полей, которые достигаются с помощью лазеров, возникают дополнительные эффекты, которые могут, например, генерировать более высокие световые частоты, известные как излучение высоких гармоник. Эти эффекты часто зависят от направления колебаний светового поля относительно расположения атомов в материале.
«Мы используем эту зависимость при генерации излучения с высокими гармониками, чтобы получить представление о свойствах прозрачных материалов на поверхности и вблизи нее», — говорит первый автор и аспирант Тобиас Генрих с физического факультета Геттингенского университета. «Используемое нами световое поле состоит из двух лазерных импульсов, вращающихся в противоположных направлениях на двух разных частотах, и это приводит к симметричному полю в форме клеверного листа». Эти специальные световые поля могут быть адаптированы к атомному расположению материала для управления генерацией высоких гармоник.
«Мы показываем, что этот контроль можно использовать для изучения намагничивания на поверхности оксида магния», — объясняет доктор Мурат Сивис, руководитель исследования. В зависимости от направления вращения светового поля — также называемого хиральностью — генерируемый ультрафиолетовый свет в разной степени поглощается на границе раздела. «Для различных материалов, которые на самом деле не проявляют намагниченности или электропроводности, эти свойства на поверхности были теоретически предсказаны», — сказал Сивис. «В нашем исследовании мы показываем, что теперь можно исследовать такие явления, используя только оптические методы, возможно, даже в очень коротких временных масштабах». Исследователи также надеются получить новое представление об электронных свойствах других хиральных материалов, как показывает исследование на примере спиральной кристаллической структуры кварца. Чувствительность к хиральным явлениям на поверхностях потенциально может открыть новые возможности для исследований инновационных функциональных материалов.