光不僅可以用來測(cè)量材料的屬性 還可以用來改變它們

光不僅可以用來測(cè)量材料的屬性，還可以用來改變它們。特別有趣的是可以修改材料功能的那些情況，例如其導(dǎo)電或以其磁狀態(tài)存儲(chǔ)信息的能力。由漢普頓Max Planck物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究所的Andrea Cavalleri領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用太赫茲頻率光脈沖將非鐵電材料轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電材料。

鐵電性是組成晶格在一個(gè)特定方向上極化，形成宏觀電極化的狀態(tài)。反轉(zhuǎn)偏振的能力使得鐵電材料特別適合于數(shù)字信息編碼和處理。光誘導(dǎo)鐵電體的發(fā)現(xiàn)與新一代高速器件高度相關(guān)，今天發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上。

復(fù)雜的材料是特殊的，因?yàn)樗鼈儾煌瑢こ５暮暧^特性是由許多競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)決定的。與更常規(guī)的化合物(例如構(gòu)成電流電子器件的硅晶體)不同，在復(fù)雜材料中，人們發(fā)現(xiàn)不止一種類型的微觀相互作用有利于多于一種可能的宏觀相。

這種競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了妥協(xié)，但這種競(jìng)爭(zhēng)并不是獨(dú)一無二的，而且往往處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因此，適度的擾動(dòng)，例如用光照射一種這樣的材料，可以引起固體性質(zhì)的根本變化。

超短太赫茲激光脈沖特別有用，因?yàn)樗鼈冎苯玉詈系骄Ц癫⑶铱梢愿咚僮冃卧优帕?。過去已經(jīng)示出了晶格振動(dòng)的相干激發(fā)，以引起許多復(fù)雜材料(包括超導(dǎo)體)中的電特性或磁性布置的變化。

在他們的最新研究中，科學(xué)家們描述了它們?nèi)绾握T導(dǎo)材料中的鐵電有序，固體屬性與應(yīng)用高度相關(guān)。鐵電描述了電偶??極子的自發(fā)對(duì)準(zhǔn)，這導(dǎo)致了與鐵磁體中的磁化相似的宏觀極化。通常，鐵電僅發(fā)生在有限的一類材料中; 然而，漢堡集團(tuán)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使是非鐵電材料也可以通過光強(qiáng)制進(jìn)入鐵電相。

鈦酸鍶(STO)在所有溫度下都是順電的，并且從未形成長(zhǎng)程鐵電有序。在通過光激發(fā)STO激發(fā)振動(dòng)時(shí)，研究人員觀察到其鐵電性典型的光學(xué)和電學(xué)響應(yīng)特征。這種驚人效果的起源在于晶格的非線性特性。被驅(qū)動(dòng)的聲子以壓力的形式將一些能量傳遞給固體，導(dǎo)致激發(fā)區(qū)域內(nèi)的空間變化的結(jié)構(gòu)變形。在這些條件下，可以激活稱為撓曲電性的材料特性，從而產(chǎn)生宏觀極化。引人注目的是，發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)狀態(tài)在產(chǎn)生后存活數(shù)小時(shí)，表明材料轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臏?zhǔn)穩(wěn)定相。

“利用光在超快時(shí)間尺度上誘導(dǎo)和控制鐵電狀態(tài)的能力可以為下一代技術(shù)提供基礎(chǔ)”，該論文的第一作者Tobia Nova說。鐵電材料已經(jīng)成為開發(fā)中的器件的核心，利用它們的自發(fā)極化來制造穩(wěn)定的存儲(chǔ)器芯片或“永遠(yuǎn)在線”的計(jì)算機(jī)。因?yàn)樵跐h堡實(shí)驗(yàn)中證明的光誘導(dǎo)鐵電相在太赫茲頻率下工作，所以可以設(shè)想以如此高的速度工作的電光器件。此外，由于撓曲電性是常見的材料特性，因此引發(fā)超快撓曲電極極化的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出STO的具體例子。最后，因?yàn)镾TO通常用作復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基質(zhì)，