En fjernbetjening til funktionelle materialer

Intens mid-infrarød excitation er blevet demonstreret som et kraftfuldt værktøj til at kontrollere de magnetiske, ferroelektriske og superledende egenskaber af komplekse materialer. Ikke-lineær fononik er nøglen til dette formål, da den forskyder specifikke atomer væk fra deres ligevægtspositioner for at manipulere mikroskopiske interaktioner. Hidtil har man troet, at denne effekt kun forekommer inden for det optisk exciterede volumen. Nu opdagede forskere i Hamborg, at polarisationsvendingen i ferroelektrisk lithiumniobat (LiNbO₃ ) forekommer endda i områder langt væk fra det direkte lys 'hit'. Det hidtil ukendte fænomen - kaldet ikke-lokal ikke-lineær fononik - er blevet offentliggjort i Nature Physics .

Ferroelektriske materialer såsom LiNbO₃ besidder en statisk elektrisk polarisering genereret af linjer med positiv og negativ ladning, der kan omskiftes med et elektrisk felt. Denne unikke egenskab gør disse materialer til den grundlæggende byggesten i mange moderne elektroniske komponenter i smartphones, bærbare computere og ultralydsbilleddannelsesenheder. Brug af laserlys til at ændre den ferroelektriske polarisering er en ny tilgang, der giver mulighed for ekstremt hurtige processer, hvilket ville være et nøgletrin i udviklingen af ​​højeffektive ultrahurtige optiske kontakter til nye enheder.

Forskerne i Andrea Cavalleris gruppe ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) brugte mid-infrarøde impulser til at excitere overfladen af ​​en LiNbO₃ krystal, der udsender en stærk vibration gennem et område, der spænder over en dybde på 3 mikrometer fra krystaloverfladen. Derefter brugte de en teknik kaldet femtosecond-stimuleret Raman-spredning til at måle ultrahurtige ændringer af den ferroelektriske polarisation gennem hele krystaltykkelsen på 50 mikrometer. Målingerne viste, at lysimpulser med en meget høj energitæthed får den ferroelektriske polarisering til at vende gennem hele krystallen. Ved at bruge beregningsmetoder til at simulere virkningerne af ikke-lineær fononik i LiNbO₃ , fandt forfatterne ud af, at stærke polarisationsbølger kaldet polaritoner kommer frem fra det lille volumen, som gennemløbes af lysimpulsen, og bevæger sig gennem hele den resterende dybde af krystallen. Disse polaritonbølger menes at spille en væsentlig rolle i ændringen af ​​den ferroelektriske polarisation gennem de sektioner af krystallen, der er uberørt af lysimpulsen.

Resultaterne rapporteret af Henstridge et al. tilføje en spændende ny brik til det undvigende puslespil med ultrahurtig ferroelektricitet, hvis forståelse kan føre til nye enhedskomponenter såsom bæredygtige optiske kontakter. Mere generelt åbner dette arbejde et enormt spørgsmål om, hvorvidt tidligere og fremtidige systemer drevet af ikke-lineær fononik kan udvise en lignende type ikke-lokal karakter. Evnen til at manipulere funktionelle egenskaber på afstand kunne udvide mulighederne for at inkorporere ikke-lineær fononik i integrerede enheder og andre komplekse materialer, hvilket åbner nye veje til at styre systemer med lys. + Udforsk yderligere

Naturlig tredimensionel ikke-lineær fotonisk krystal