Кристалл сам сплёл себя в ткань, которую никто не ткал

Сфера: Технологии и открытия Первоисточник: Исследование: Xin F., Gelkop Y., van der Veer E., Noheda B., Falsi L., Zhang G., Bo F., Agranat A. J., DelRe E., «Spontaneous formation and optical manipulation of a woven domain fabric in a ferroelectric crystal», Light: Science & Applications, том 15, статья 315, опубликовано 14 июля 2026 (DOI 10.1038/s41377-026-02374-7), статья в открытом доступе. Прямая цитата авторов и новостной пересказ взяты из материала Phys.org со ссылкой на пресс-релиз Еврейского университета в Иерусалиме.

Возьмите в руки плетёную корзину и приглядитесь к прутьям. Один прут ложится поверх соседнего, ныряет под следующий и снова выходит наверх, по чёткому правилу, которое задал мастер, плетя узор руками. Без мастера и без схемы плетение само не появляется. Прутьям попросту неоткуда взять правило, кому лечь сверху, а кому снизу.

Команда физиков из Италии, Израиля, Китая и Нидерландов выращивала кристалл ради рутинной задачи: посмотреть, как в нём выстраиваются электрические домены при охлаждении. Кристалл никто не плёл, его вырастили в лаборатории для оптических опытов. Но внутри учёные увидели именно это: нити, которые сами, без всякой схемы, улеглись друг над другом и друг под другом и сложились в объёмную ткань.

Тут и есть главный поворот этой истории. Сложное плетение появилось без единого плана — кристалл сложил его сам, пока просто остывал.

Кристалл вырастили ради другой задачи

Материал называют KTN:Li, это сложный оксид калия, тантала и ниобия с примесью лития. Такие кристаллы давно используют в оптике: они меняют свойства под действием электрического поля и годятся для быстрых оптических переключателей. Сам по себе он не редкость и синтезируется в лабораториях не первое десятилетие.

Интересно в нём другое свойство, ферроэлектричество. Атомы внутри кристалла способны сместиться так, что у крошечного участка появляется собственный электрический полюс, как у миниатюрного магнита, только электрического. Такие участки называют доменами. При охлаждении через определённую температуру, точку Кюри, домены обычно выстраиваются в простые полосы или блоки, примерно как чешуйки еловой шишки.

Здесь домены повели себя иначе. Кристалл охлаждали очень медленно через точку перехода, которая у этого образца лежала около комнатной температуры, чуть выше 19 °C. Вместо полос под микроскопом проявились нити, пересекающие друг друга: то сверху, то снизу, совсем как в плетении корзины.

Разглядеть это удалось не случайно. Пока кристалл рос, его состав менялся крошечными периодическими скачками, и точка Кюри у разных слоёв материала оказалась чуть разной. Один образец превратился в готовую шкалу температур. В одном и том же куске нашлись места чуть выше перехода и чуть ниже, и авторы наблюдали все стадии рождения плетения сразу, без серии отдельных опытов.

Случайность, которую физики научились считать

Чтобы описать такое плетение строго, а не на глаз, физики позаимствовали язык у математиков, изучающих узлы. У каждого перекрёстка нитей есть направление: одна нить идёт сверху, другая снизу. В теории узлов это называют числом зацепления и обозначают знаком плюс или минус. Знак зависит от того, какая нить наверху.

Именно так авторы работы и описали структуру внутри кристалла: набор нитей со случайным чередованием плюсов и минусов на каждом перекрёстке. Один и тот же кристалл, охлаждённый заново, давал уже другой узор. История охлаждения оставляла в веществе собственный, непредсказуемый след.

Смотрели на это через поляризационный и лазерный микроскоп, а заодно снимали фазовый контраст, чтобы уловить крошечные перепады показателя преломления на границах нитей, невидимые в обычном свете. Снимали один и тот же образец раз за разом при разных температурах. Основные опыты шли на одном крупном монокристалле, а дополнительные проверки провели на нескольких более тонких срезах того же материала. Не серия из десятков образцов, а редкий подробно изученный экземпляр.

Почему разрезать плетение сложнее, чем точку

У обычного топологического дефекта в физике есть одна точка, где всё и держится: вихрь, скручивание, узелок. Сломай эту точку, и защита пропадает.

Плетение устроено иначе. Каждая нить проходит через весь кристалл целиком, из края в край. Разрушить такую защиту можно, только разрезав сами нити: одного повреждённого узла на перекрёстке для этого мало. Авторы сравнивают такую устойчивость с двойной спиралью ДНК и пучками нервных волокон в мозге: там информация тоже размазана по всему переплетению, и точечный сбой её не уничтожает.

Инженеры давно знают похожий трюк: плетёные фотонные структуры и метаматериалы собирают именно ради такой устойчивости, только вручную, нить за нитью, по чертежу. В этом кристалле чертежа не было. Порядок на перекрёстках возник сам, из того, как атомы улеглись при остывании.

Свет распутывает нити, но не диктует узор

Управлять случайным плетением казалось бы невозможно. Авторы всё же попробовали, направив на кристалл лазер.

Сфокусированный зелёный луч, наведённый точно на нужный перекрёсток, локально распутывал нити, не трогая остальную ткань кристалла. После этого образец нагревали выше точки Кюри и снова медленно охлаждали. Плетение возникало заново, но уже в другой комбинации перекрёстков.

Получилась управляемая случайность. Место, где появится плетение, можно задать нагревом и лазером, а точный узор нитей задать нельзя: он каждый раз выходит собственный. Авторы видят в этом задел для оптической памяти нового типа, где данные держит вся ткань целиком, и потому шум и локальные помехи её не стирают.

Где ещё стоит искать такое плетение

Работу опубликовали 14 июля 2026 года в журнале Light: Science & Applications. Авторы работают в Римском университете Сапиенца, Нанькайском университете, Еврейском университете в Иерусалиме и Гронингенском университете. В комментарии для прессы они сформулировали это так: «Это первый случай, когда кто-то увидел, как ткань плетения возникает сама внутри твёрдого кристалла. Волнует не только то, что перед нами совершенно новая форма организации материи: похоже, мы могли просмотреть похожие топологические структуры и в других физических системах. Иногда природа изобретательнее наших теорий».

Пока это наблюдение на одном кристалле в одной лаборатории, и переносить его на все ферроэлектрики рано. Речь именно о KTN:Li с его особыми, чуть смещёнными друг относительно друга слоями. Обычный, однородно выращенный ферроэлектрик может повести себя иначе, и работа не проверяет остальные материалы этого класса.

Авторы всё же предполагают, что похожие переплетения могли остаться незамеченными в жидких кристаллах, сверхпроводниках и других системах, где физики привыкли искать отдельные точечные дефекты. Просто никто раньше не смотрел прицельно на узор.

Прутья в этой истории сплелись без мастера. Осталось понять, сколько ещё таких плетений в природе просто никто пока не додумался посчитать.