Opdagelse af lysinduceret ferroelektricitet i strontiumtitanat

Lys kan ikke kun bruges til at måle materialers egenskaber, men også for at ændre dem. Særligt interessant er de tilfælde, hvor et materiales funktion kan ændres, såsom dets evne til at lede elektricitet eller til at gemme oplysninger i sin magnetiske tilstand. Et team ledet af Andrea Cavalleri fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg har brugt terahertz frekvenslyspulser til at omdanne et ikke-ferroelektrisk materiale til et ferroelektrisk.

Ferroelektricitet er en tilstand, hvor det gitter, der indgår, er polariseret i en bestemt retning, danner en makroskopisk elektrisk polarisering. Evnen til at vende polarisering gør ferroelektriske materialer særligt velegnede til digital informationskodning og behandling. Opdagelsen af ​​en lysinduceret ferroelektrisk er yderst relevant for en ny generation af højhastighedsanordninger, og præsenteres i dag i tidsskriftet Videnskab .

Komplekse materialer er specielle, fordi deres usædvanlige makroskopiske egenskaber bestemmes af mange konkurrerende tendenser. I modsætning til i mere konventionelle forbindelser, såsom siliciumkrystaller, der udgør nuværende elektroniske enheder, i komplekse materialer finder man, at mere end én type mikroskopisk interaktion favoriserer mere end én mulig makroskopisk fase.

En sådan konkurrence fører derefter til et kompromis, men en, der ikke er unik og ofte er i usikker ligevægt. Derfor, moderate forstyrrelser, for eksempel at bestråle et sådant materiale med lys, kan forårsage radikale ændringer i faststoffets egenskaber.

Ultrakorte terahertz laserpulser er især nyttige, fordi de kobles direkte til krystalgitteret og kan deformere atomarrangementer ved høje hastigheder. Sammenhængende excitation af gittervibrationer har tidligere vist sig at forårsage ændringer af elektriske egenskaber eller magnetiske arrangementer i en række komplekse materialer, herunder superledere.

I deres seneste forskning, forskerne beskriver, hvordan de inducerede en ferroelektrisk orden i et materiale, en egenskab ved faste stoffer, der kan være yderst relevante for applikationer. Ferroelektricitet beskriver den spontane justering af elektriske dipoler, hvilket fører til en makroskopisk polarisering, der ligner magnetiseringen i en ferromagnet. Generelt, ferroelektricitet forekommer kun i en begrænset klasse af materialer; imidlertid, Hamburg-gruppen har opdaget, at selv ikke-ferroelektriske materialer kan tvinges ind i en ferroelektrisk fase af lys.

Strontiumtitanat (STO) er paraelektrisk ved alle temperaturer, og der udvikles aldrig en ferroelektrisk rækkefølge over lang afstand. Ved spændende vibrationer i STO af lys, forskerne observerede karakteristika i dets optiske og elektriske reaktioner, der er typiske for ferroelektricitet. Oprindelsen til denne overraskende effekt ligger i krystalgitterets ikke -lineære natur. Den drevne fonon leverer noget af sin energi i form af tryk til det faste stof, hvilket resulterer i en rumligt varierende strukturel deformation inden for det ophidsede område. Under disse forhold, en materiel egenskab kaldet flexoelektricitet kan aktiveres, hvilket resulterer i en makroskopisk polarisering. Påfaldende, den fotoinducerede tilstand viste sig at overleve i flere timer efter at den blev oprettet, viser, at materialet overgik til en ny kvasi-stabil fase.

"Evnen til at fremkalde og kontrollere ferroelektriske tilstande med lys på ultrahurtige tidsskalaer kunne danne grundlag for næste generations teknologier", siger Tobia Nova, første forfatter til papiret. Ferroelektriske materialer er allerede kernen i enheder under udvikling, som udnytter deres spontane polarisering til at lave stabile hukommelseschips eller "altid på" computere. Fordi den lysinducerede ferroelektriske fase, der blev demonstreret i Hamburg-eksperimentet, opererer ved terahertz-frekvenser, Elektrooptiske enheder, der arbejder ved så høje hastigheder, kan tænkes. I øvrigt, da flexoelektricitet er en fælles materiel egenskab, evnen til at fremkalde ultrahurtige flexoelektriske polarisationer rækker langt ud over det specifikke eksempel på STO. Til sidst, fordi STO rutinemæssigt bruges som et substrat i komplekse heterostrukturer, den optiske adgang til flexoelektriske polarisationer bør finde omfattende anvendelser i manipulation af kollektive fænomener ved grænseflader.