重磅:实现用光诱导非铁电材料转化为铁电材料

重磅:实现用光诱导非铁电材料转化为铁电材料

光不仅可以用来测量材料的性能,还可以用来改变它们。特别有趣的是那些材料功能可以被改变的例子,例如导电能力或者在磁性状态下存储信息的能力。德国汉堡马马克斯普朗克物质结构和动力学研究所,安德里亚·卡瓦列里领导的研究小组利用太赫兹频率的光脉冲将一种非铁电材料转化为铁电材料。铁电是指组成晶格在一个特定方向极化,形成宏观电极化的一种状态。

反向极化的能力使铁电材料特别适合数字信息编码和处理。光诱导铁电体的发现与新一代高速器件高度相关,并于2019年6月14日发表在《科学》上。复杂材料之所以特殊,是因为它们不同寻常的宏观性能是由许多相互竞争的趋势决定。

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与传统化合物不同,如构成当前电子器件的硅晶体,在复杂材料中,人们发现不止一种微观相互作用有利于不止一种可能的宏观相。这样的竞争会导致一种“妥协”,但这种妥协并不独特,而且往往处于不稳定的平衡状态。

因此,适度扰动,例如用光照射这样一种材料,可以引起固体性质的根本变化。超短太赫兹激光脉冲特别有用,因为它们直接耦合到晶格上,可以在高速下使原子排列变形。晶格振动的相干激发在过去已被证明会引起包括超导体在内的许多复杂材料的电性能或磁性排列变化。在最新的研究中,科学家们描述了如何在一种材料中诱导铁电顺序,这是一种固体的特性,可能与应用高度相关。

铁电描述了电偶极子的自发排列,这导致了类似于铁磁体磁化的宏观极化。一般来说,铁电性只发生在有限种类的材料中,然而发现,即使是非铁电材料也可以被光强迫进入铁电相。钛酸锶(STO)在任何温度下都是副电性的,长期铁电性顺序从未形成。通过光在钛酸锶中激发振动,研究人员观察到其典型铁电性质的光和电响应特性。这种惊人效应的起源在于晶格的非线性性质,驱动声子将部分能量以压力的形式传递给固体,从而在受激区域内产生空间变化的结构变形。

在这些条件下,一种被称为柔性电的材料特性可以被激活,从而产生宏观极化。引人注目的是,光诱导态被发现在被创造出来后能存活数小时,这表明这种物质过渡到了一种新的准稳定相。利用超快时间尺度的光诱导和控制铁电态能力,可能为下一代技术奠定基础。铁电材料已经成为正在开发的器件的核心,这些器件利用自发极化来制造稳定的内存芯片或“一直在运行”的计算机。

因为光诱导铁电相在Hamburg实验中被证明是在太赫兹频率下运行,所以在如此高速度下工作的电光器件是可以设想的。此外,由于弯曲电是一种常见的材料特性,诱导超快弯曲电极化的能力远远超出了钛酸锶的具体例子。由于钛酸锶通常被用作复杂异质结构的衬底,利用屈曲电极化的光学方法,应该在处理界面上的集体现象方面得到广泛应用。

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