КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 1, с. 51-57
ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР
УДК 537.226; 535.33
К 80-летию Л.А. Шувалова
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА В СИЛЬНОЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЕ
© 2004 г. Э. В. Бурсиан, В. В. Рычгорский, А. И. Зайцев
Российский государственный педагогический университет, Санкт-Петербург
E-mail: bursian@inbox.ru Поступила в редакцию 17.07.2003 г.
Проведен анализ работ, посвященных изменению состояния сегнетоэлектрического кристалла при прохождении через него потока электромагнитной энергии высокой интенсивности. Основные параметры, определяющие фазовый переход, при этом существенно меняются. Кроме того, развиваются явления, характерные для сугубо открытых термодинамических систем (появляются самоорганизующиеся диссипативные структуры). Явления обнаруживаются при генерации второй оптической гармоники в кристаллах, лишенных естественного синхронизма.
ВВЕДЕНИЕ
Феноменологическая теория сегнетоэлектри-ческих кристаллов была создана Гинзбургом и Девонширом на основе общей термодинамической теории фазовых переходов Ландау. Микроскопическая теория после ряда предварительных шагов (Слэтер, Мэзон) появилась около 1960 г. в работах Гинзбурга, Андерсена и Кокрена, которые ввели в рассмотрение модель "мягкой моды", используя развитую Борном теорию колебаний кристаллической решетки [1].
Поскольку в нелинейной оптике, как и в оптике сегнетоэлектриков вообще, основным является взаимодействие электромагнитной волны с электронной подсистемой, нужно рассматривать проблему, выделяя электронные степени свободы, а затем включать электрон-фононное взаимодействие, которое в отсутствие внешних полей приводит к неустойчивости и фазовому переходу. Поэтому при рассмотрении изменения состояния сегнетоэлектрика в мощной волне оптимальной будет межзонная модель сегнетоэлектрика [2-4].
Отметим важный для дальнейшего изложения момент. Во всех классических работах по сегнето-электричеству кристалл рассматривался как термодинамически замкнутая система. Воздействие механических, электрических полей и света дола-зерных интенсивностей несущественно влияло на это условие. Однако при плотностях потока энергии через кристалл порядка 1 МВт/мм2 (от лазерных импульсов) систему уже нельзя считать замкнутой даже в первом приближении. Необходимость использования концепций неравновесной термодинамики становится неизбежной. Первые экспериментальные и теоретические работы в
этом направлении были проведены в 1960-70-х гг. [4-6].
В настоящей работе основное внимание уделяется некоторым последним исследованиям по взаимодействию мощной электромагнитной волны с сегнетоэлектрическим кристаллом и нелинейной оптике этих объектов.
1. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК В УСЛОВИЯХ, ДАЛЕКИХ ОТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
1.1. Изменение основных параметров сегнетоэлектрического состояния. В слабом электромагнитном поле электронный спектр (зонная структура) остается практически неизменным. Внешняя волна меняет только концентрацию электронов в зонах и на локальных уровнях. В результате возникают статические электрические поля, незначительно меняющие параметры сегнетоэлектрика [7]. В сильном поле меняется сама зонная структура кристалла. Кроме того, однородное состояние может оказаться неустойчивым.
В [2-5] развита общая теория изменения свойств сегнетоэлектрика в интенсивном электромагнитном поле. В электромагнитном поле в гамильтониане появляется полевой член с константой связи электрона с полем Поле считается сильным, если вынужденные переходы вниз более вероятны, чем спонтанные: т ^ тсп или ^ 1. В этом случае электрон под действием поля постоянно переходит из нижней зоны в верхнюю и обратно, образуя состояние, в котором он одновременно находится в обеих зонах. В резуль-
51
4*
(а)
Е0
(б)
(в)
и
(г)
2Х
Рис. 1. Исходный электронный спектр (а) и его перестройка в интенсивном световом поле частотой ю^ (б - при ю^ < Е^ , в, г - при ю^ > Е^).
увеличивает концентрацию скоррелированных электрон-дырочных пар. Каждая пара обладает дипольным моментом
а
12
= ^
* г йт.
Рис. 2. Неустойчивость пространственно однородного состояния сегнетоэлектрика в мощной электромагнитной волне. Фотография получена на кристалле 8Ь81 в момент облучения лазерным импульсом [6]. Период наблюдаемой структуры в поле амплитудой порядка 105 В/см близок к 8 мкм.
тате электронный спектр трансформируется. Зоны сближаются на юь (рис. 1). Как следует из межзонной модели, неустойчивость в парафазе при этом увеличивается, частота критического колебания снижается и соответственно диэлектрическая проницаемость увеличивается, температура перехода повышается.
Таким образом, интенсивное внешнее поле, увеличивая эффективное электрон-фононное взаимодействие, меняет основные параметры, контролирующие фазовый переход.
Отметим, что в прежних работах по влиянию освещения на сегнетоэлектрик, когда учитывалось только увеличение концентрации носителей при неизменном электронном спектре, результат получался обратный: температура перехода снижалась. Но такой подход справедлив только в слабом поле.
В сильном поле определяющую роль играет перенормировка межзонного электрон-фононно-го взаимодействия внешним полем. Сильное поле
В сильном поле образуется когерентное состояние пар, аналогичное тому, которое образуется в сегнетофазе за счет межзонного электрон-фо-нонного взаимодействия. В силу когерентности в электронной подсистеме появляется макроскопический дипольный момент, т.е. поляризация электронной подсистемы, дополнительная к той, которая возникает в сегнетоэлектрическом кристалле за счет межзонного взаимодействия электронов с полярными поперечными колебаниями решетки.
Некоторые из этих эффектов наблюдались авторами [4, 5] при измерении диэлектрической проницаемости £ в поле лазерного излучения. В этих опытах сложность заключалась в том, что измерения проницаемости необходимо было выполнить за малый промежуток времени, меньший длительности лазерного импульса (использовались импульсы длительностью 5 мкс, теперь это легко воспроизвести при длительностях, менее наносекунды). В работе [5] показано, как это было сделано и как в результате анализа сложной формы отклика были уверенно разделены три составляющие: результат нагрева, результат изменения концентрации носителей и собственно результат воздействия сильного поля. Разделение оказалось возможным благодаря тому, что соответствующие времена релаксации отличались друг от друга на несколько порядков. К обсуждаемой теме имеет отношение только безынерционная, нелинейно зависящая от интенсивности составляющая £ как новый фотосегнетоэлектриче-ский эффект, при потоках мощности более 1 МВт/мм2, по величине существенно превышающий описанные ранее. При выделении этой компоненты результат дал хорошее соответствие высказанным выше соображениям.
1.2. Распад на пространственно неоднородные структуры. В сегнетоэлектрике, находящемся в поле мощной электромагнитной волны, наблюдалось образование пространственных структур с периодом порядка нескольких микрометров (в конкретных условиях опыта). На рис. 2 воспроизведена фотография из [6].
Работами Гиршберга, Трунова и авторов настоящей публикации было показано, что сегнетоэле-ктрический кристалл действительно становится неустойчивым по отношению к распаду однородной фазы на пространственно неоднородные структуры и однородное состояние сегнетофазы становится невозможным.
Теория эффекта развита в [4]. Возникновение спонтанной поляризации приводит к отличному от
нуля электронному параметру порядка Ф0, описывающему перестройку электронного спектра. Во внешнем поле параметр Ф0 и концентрация электронов в верхней зоне связаны нелинейным уравнением, причем с ростом концентрации величина Ф0 уменьшается. Локальное уменьшение Ф0 является потенциальной ямой для электронов и приводит к локальному увеличению их концентрации. Рост концентрации приводит к дальнейшему уменьшению Ф0 и т.д. В системе развивается динамическая неустойчивость, приводящая к возникновению областей с Ф0 = 0 (парафаза) и повышенной концентрацией неравновесных электронов. В зависимости от соотношения параметров размеры этих областей определяются диффузионной или корреляционной длиной, и в системе возникает периодическая структура с соответствующим периодом. Процесс может быть описан эффективным отрицательным коэффициентом диффузии.
Отметим, что подобное, но иное расслоение наблюдалось и ранее при слабом освещении фо-топроводящего сегнетоэлектрика 8Ъ81 [7]. В непосредственной близости к фазовому переходу происходило расслоение сегнетоэлектрика на области пара- и сегнетофазы. Температурный интервал существования эффекта не превышал 1.52 градуса, а период структуры составлял несколько десятых долей миллиметра. Эффект связывался со сдвигом температуры перехода при повышенной концентрации возбужденных носителей вниз, в результате чего в сегнетофазе возникали слои парафазы. В сильном электромагнитном поле эффект качественно иной. Он не связан с близостью к переходу. Что касается температуры перехода, то в сильном поле она сдвигается вверх.
Процесс можно рассматривать как один из случаев установления порядка в открытой термодинамически сильно неравновесной системе, поскольку все необходимые для этого условия соблюдены (большая плотность потока энергии через кристалл, нелинейность и достаточная сложность системы [8]). Образующаяся структура принципиально отличается от доменных структур, известных для сегнетоэлектриков, находящихся в состояниях, близких к равновесию.
2. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК В НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКЕ. НОВЫЕ АСПЕКТЫ
Для исследования состояния сегнетоэлектри-ческих кристаллов широко используется генерация второй гармоники (ГВГ). Этим методом изучаются нелинейные восприимчивости, состояние поляризации, различные структуры (см., например, [9]) и т. д. Метод перспективен и для изучения структур, возникающих в сегнетоэлектрике в сильном поле.
2.1. Синхронизация фаз при генерации вторичных волн
Волны накачки частоты ю, проходя через кристалл, генерируют в различных точках кристалла вторичные волны, например частоты 2ю. Эффективность преобр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.