Optical creation of a supercrystal with three-dimensional nanoscale periodicity

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作者
Vladimir A. Stoica,Nouamane Laanait,Cheng Dai,Zijian Hong,Yakun Yuan,Zhan Zhang,Shiming Lei,Margaret R. McCarter,Ajay K. Yadav,Anoop R. Damodaran,Sujit Das,Greg Stone,J. Karapetrova,Donald A. Walko,X. Zhang,Lane W. Martin,R. Ramesh,Long‐Qing Chen,Haidan Wen,Venkatraman Gopalan
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:18 (4): 377-383 被引量:154
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0311-x
摘要

Stimulation with ultrafast light pulses can realize and manipulate states of matter with emergent structural, electronic and magnetic phenomena. However, these non-equilibrium phases are often transient and the challenge is to stabilize them as persistent states. Here, we show that atomic-scale PbTiO3/SrTiO3 superlattices, counterpoising strain and polarization states in alternate layers, are converted by sub-picosecond optical pulses to a supercrystal phase. This phase persists indefinitely under ambient conditions, has not been created via equilibrium routes, and can be erased by heating. X-ray scattering and microscopy show this unusual phase consists of a coherent three-dimensional structure with polar, strain and charge-ordering periodicities of up to 30 nm. By adjusting only dielectric properties, the phase-field model describes this emergent phase as a photo-induced charge-stabilized supercrystal formed from a two-phase equilibrium state. Our results demonstrate opportunities for light-activated pathways to thermally inaccessible and emergent metastable states.
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