Vrikkende atomer skifter krystallers elektriske polarisering

Ferroelektriske krystaller viser en makroskopisk elektrisk polarisering, en superposition af mange dipoler i atomskalaen, der stammer fra rumligt adskilte elektroner og atomkerner. Den makroskopiske polarisering forventes at ændre sig, når atomerne sættes i gang, men forbindelsen mellem polarisering og atombevægelser er forblevet ukendt. Et tidsopløst røntgenforsøg har afsløret, at bittesmå atomvibrationer forskyder negative ladninger over en afstand 1000 gange større mellem atomer og skifter den makroskopiske polarisering på en tidsskala på en milliontedel af en milliontedel af et sekund.

Ferroelektriske materialer har applikationer i elektroniske sensorer, hukommelse og switch -enheder. I denne sammenhæng, hurtig, kontrollerede ændringer af deres elektriske egenskaber er afgørende for effektivt at implementere specifikke funktioner. Dette kræver forståelse af sammenhængen mellem atomstruktur og makroskopiske elektriske egenskaber, herunder de fysiske mekanismer, der styrer den hurtigst mulige dynamik af makroskopiske elektriske polarisationer.

Forskere fra Max Born Institute i Berlin har nu demonstreret, hvordan atomvibrationer modulerer den makroskopiske elektriske polarisering af prototypen ferroelektrisk ammoniumsulfat [Fig. 1] på en tidsskala på nogle få picosekunder (1 picosekund (ps) =1 milliontedel af en milliontedel af et sekund). I det aktuelle nummer af tidsskriftet Strukturel dynamik , de rapporterer om et ultrahurtigt røntgenforsøg, der gør det muligt at kortlægge ladningens bevægelse over afstande i størrelsesordenen af ​​et atoms diameter (10 ^-10 m =100 picometre) på en kvantitativ måde. I målingerne, en ultrakort excitationspuls sætter materialets atomer, et pulver af små krystallitter, ind i vibrationer. En tidsforsinket hård røntgenpuls skilles fra den eksiterede prøve og måler det momentane atomarrangement i form af et røntgenpulverdiffraktionsmønster. Sekvensen af ​​sådanne øjebliksbilleder repræsenterer en film af det såkaldte elektrontæthedskort, hvorfra den rumlige fordeling af elektroner og atomvibrationer stammer fra hvert øjeblik i tid ([Fig. 2]).

Elektronens densitetskort viser, at elektroner bevæger sig over afstande på 10 ^-10 m mellem atomer, der er mere end tusinde gange større end deres forskydninger under vibrationerne [Fig. 3]. Denne adfærd skyldes det komplekse samspil mellem lokale elektriske felter med de polariserbare elektronskyer omkring atomerne og bestemmer den momentane elektriske dipol i atomskalaen. Anvendelse af et nyt teoretisk koncept, den tidsafhængige ladningsfordeling i atomverdenen er knyttet til den makroskopiske elektriske polarisering [Fig. 3]. Sidstnævnte er stærkt moduleret af de små atomvibrationer og vender fuldstændigt sit tegn i tide med atombevægelserne. Modulationsfrekvensen på 300 GHz er indstillet af frekvensen af ​​de atomare vibrationer og svarer til en fuld vending af den mikroskopiske polarisation inden for 1,5 ps, meget hurtigere end nogen eksisterende ferroelektrisk koblingsenhed. Ved overfladen af ​​en krystallit, den maksimale elektriske polarisering genererer et elektrisk felt på cirka 700 millioner volt pr. meter.

Resultaterne etablerer tidsopløst ultrahurtig røntgendiffraktion som en metode til at koble ladningsdynamik i atomskala til makroskopiske elektriske egenskaber. Denne nye strategi giver mulighed for at teste kvantemekaniske beregninger af elektriske egenskaber og karakterisere en stor klasse polære og/eller ioniske materialer i lyset af deres potentiale for højhastighedselektronik.