Как антиферроэлектричество и поляризация ужились в одном материале?

В 2026 году группа исследователей из Норвежского университета науки и технологий (NTNU) опубликовала работу, которая ломает устоявшиеся представления о полярных материалах. Оказалось, что антисегнетоэлектрики — вещества, в которых электрические диполи выстроены в чередующемся порядке «вверх-вниз», — могут одновременно обладать спонтанной поляризацией и переключаться под действием поля. Это противоречит тому, чему десятилетиями учили студентов.

Почему антисегнетоэлектрики считали неполярными

В обычных сегнетоэлектриках (ферроэлектриках) все диполи направлены в одну сторону. Поляризацию можно переключить внешним полем — именно так работают сегнетоэлектрическая память и пьезодатчики. У антисегнетоэлектриков диполи чередуются: соседние ячейки смотрят в противоположных направлениях. В идеальной решётке эти противоположные вклады компенсируют друг друга, и макроскопическая поляризация равна нулю. Долгое время считалось, что это свойство несовместимо с полярностью — материал либо антисегнетоэлектрик, либо сегнетоэлектрик, третьего не дано.

«К сожалению, эти электрические диполи гасят друг друга, делая антисегнетоэлектрический материал неполярным. Это ограничивает их потенциальное применение в более широком контексте», — объясняет Деннис Мейер, адъюнкт-профессор кафедры материаловедения и инженерии NTNU. Он участвовал в двух проектах, результаты которых опубликованы в Nature Nanotechnology и Nature Materials.

Сложные узоры вместо строгого порядка

Но действительно ли антисегнетоэлектрику необходима строгая компенсация? Иван Ушаков, ведущий автор статьи в Nature Nanotechnology, поясняет: «Многие годы исследователи исходили из этого предположения, хотя несколько учёных обсуждали более сложные паттерны». Эти паттерны могут включать простые наклоны, нерегулярности в расположении диполей, а также волны и спирали. Комбинации нескольких типов узоров тоже возможны.

Физики из NTNU показали: если чередование диполей не идеально выровнено, а слегка наклонено, полной компенсации не происходит. Материал остаётся антисегнетоэлектриком, но приобретает остаточную поляризацию. «Наши результаты показывают, что эта компенсация не всегда обязательна. Это означает, что антисегнетоэлектрики представляют собой гораздо более широкий и богатый класс материалов, чем предполагалось. Требуется переопределение всей концепции», — говорит Мейер.

Гибридный материал K₃[Nb₃O₆|(BO₃)₂]

Конкретным примером, подтверждающим новую теорию, стало соединение K₃[Nb₃O₆|(BO₃)₂]. Оно давно было известно как вещество, демонстрирующее признаки как полярных, так и антисегнетоэлектрических свойств. Ушаков и его коллеги детально изучили его структуру: «В этом материале узор «вверх-вниз» не полностью скомпенсирован из-за небольшого наклона. Изучив структуру, мы определили точные механизмы, которые позволяют сосуществовать сегнетоэлектричеству и антисегнетоэлектричеству в одном материале».

Но самое удивительное ждало учёных дальше. Оказалось, что соединение не просто сочетает два типа свойств. При более пристальном рассмотрении электрически управляемых областей — доменов — исследователи обнаружили уникальные «гибридные» характеристики. С помощью современной микроскопии удалось увидеть, что домены разделены протяжёнными и чрезвычайно тонкими границами, свойства которых совершенно необычны по сравнению с аналогичными границами в классических сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках. Подробности этой работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

«С помощью современной микроскопии мы наблюдаем, что домены разделены сильно вытянутыми и чрезвычайно тонкими границами со свойствами, очень необычными по сравнению с аналогичными границами как в классических сегнетоэлектриках, так и в антисегнетоэлектриках», — отмечает Мейер.

Новый класс материалов и его перспективы

Работа указывает на появление нового класса материалов, электрические свойства которых больше не укладываются в одну категорию. Такие гибридные системы могут открыть возможности в накоплении энергии, сенсорах и других электронных технологиях. Одновременно они заставляют пересмотреть само понятие антисегнетоэлектричества. Ведь если раньше инженеры выбирали либо сегнетоэлектрик (для переключаемой поляризации), либо антисегнетоэлектрик (для накопления энергии), то теперь можно совмещать оба качества в одном веществе.

Профессор Мейер подчёркивает: «Это требует переопределения всей концепции». Подобная переоценка основ может привести к тому, что многие ранее известные соединения — которые считались просто «странными» — окажутся представителями этой новой категории. Исследователи уже планируют проверить другие материалы на наличие подобных гибридных состояний.

Что дальше

Пока рано говорить о коммерческом применении, но сам факт сосуществования двух взаимоисключающих свойств в одном кристалле — это серьёзный сдвиг в фундаментальной физике твёрдого тела. Учебники по материаловедению, скорее всего, придётся дополнить новой главой. А для инженеров открывается поле для поиска: сколько ещё материалов скрывают в себе подобные «гибридные» способности, которые мы раньше просто не умели замечать?