Elektrisk polarisering i den makroskopiske verden og elektroner, der bevæger sig på atomare skalaer

Femtosekund røntgeneksperimenter i kombination med en ny teoretisk tilgang etablerer en direkte sammenhæng mellem elektriske egenskaber i den makroskopiske verden og elektronbevægelser på atomernes tids- og længdeskala. Resultaterne åbner en ny vej til at forstå og skræddersy egenskaberne af ferroelektriske materialer.

Fænomener i den makroskopiske verden er beskrevet af klassisk fysik, mens processer på atomare længde og tidsskalaer er styret af kvantemekanikkens love. Sammenhængen mellem mikroskopiske og makroskopiske fysiske størrelser er langt fra triviel og til dels uforklarlig.

Elektrisk polarisation er en makroskopisk størrelse, som beskriver stoffets dipolmoment. Polariseringen stammer fra den ejendommelige elektronfordeling på atomær skala i polære og ioniske materialer, blandt dem den mest interessante klasse af ferroelektrik. Deres spontane elektriske polarisering anvendes i vid udstrækning i elektroniske sensorer, minder, og skifte enheder. Forbindelsen mellem polariseringer, især tidsafhængige, og mikroskopiske elektrondensiteter er vigtig for at forstå og skræddersy ferroelektriske egenskaber.

Baseret på en ny eksperimentel og teoretisk tilgang, forskere fra Max Born Institute har nu etableret en direkte kvantitativ forbindelse mellem makroskopiske elektriske polariseringer og tidsafhængige mikroskopiske elektrontætheder. Som de melder ind Fysisk gennemgang B , atomiske bevægelser i ferroelektrik lanceres ved optisk excitation og modulerer elektronfordelingen på en femtosekunds tidsskala (1 fs =10 ^-15 sekunder). Den resulterende dynamik af elektrondensitet er kortlagt ved tidsopløst røntgenpulverdiffraktion. Sådanne data giver mulighed for generering af tidsmæssigt og rumligt opløste elektrondensitetskort, hvorfra den momentane makroskopiske polarisering er afledt ved hjælp af et nyt teoretisk koncept. Metodens potentiale demonstreres med to prototyper af ferroelektriske materialer.

Det teoretiske arbejde udvider den eksisterende kvantefasetilgang til beregning af stationære makroskopiske polariseringer mod ultrahurtig ikke-ligevægtsdynamik af elektronladning og polarisering. De teoretiske nøgletrin består i at udlede en mikroskopisk strømtæthed ud fra tidsafhængige elektrondensitetskort, mens den kinetiske elektronenergi minimeres. og beregning af den makroskopiske polarisation ud fra strømtætheden. Denne metode anvendes på prototypen af ​​det ferroelektriske materiale ammoniumsulfat [(NH4)2SO4, Fig. 1] med de tidsafhængige elektron- og strømtætheder vist i filmen. Som et andet prototypesystem, kaliumdihydrogenphosphat [KH2PO4] blev undersøgt. Analysen giver makroskopiske polariseringer og deres absolutte værdier styret af mikroskopiske vibrationer.

Resultaterne fastslår ultrahurtig røntgendiffraktion som et unikt værktøj til at forstå makroskopiske elektriske egenskaber af komplekse materialer. Den brede relevans af denne nye indsigt understreges af valget af artiklen som et redaktørforslag.