Ferro-elektrische kristallen vertonen een macroscopische elektrische polarisatie, een superpositie van vele dipolen op atomaire schaal die afkomstig zijn van ruimtelijk gescheiden elektronen en atoomkernen. De macroscopische polarisatie zal naar verwachting veranderen wanneer de atomen in beweging worden gezet, maar het verband tussen polarisatie en atomaire bewegingen is onbekend gebleven. Een in de tijd opgelost röntgenexperiment heeft onthuld dat kleine atomaire trillingen negatieve ladingen verplaatsen over een afstand die 1000 keer groter is tussen atomen en de macroscopische polarisatie veranderen op een tijdschaal van een miljoenste van een miljoenste van een seconde.

Ferro-elektrische materialen hebben toepassingen in elektronische sensoren, geheugen en schakelapparatuur. In deze context, snel, gecontroleerde veranderingen van hun elektrische eigenschappen zijn essentieel voor het efficiënt uitvoeren van specifieke functies. Dit vereist begrip van het verband tussen atomaire structuur en macroscopische elektrische eigenschappen, inclusief de fysieke mechanismen die de snelst mogelijke dynamiek van macroscopische elektrische polarisaties bepalen.

Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn hebben nu aangetoond hoe atomaire trillingen de macroscopische elektrische polarisatie van het prototype ferro-elektrisch ammoniumsulfaat moduleren [Fig. 1] op een tijdschaal van enkele picoseconden (1 picoseconde (ps) =1 miljoenste van een miljoenste van een seconde). In het huidige nummer van het tijdschrift structurele dynamiek , ze rapporteren een ultrasnel röntgenexperiment waarmee de beweging van ladingen over afstanden in de orde van de diameter van een atoom in kaart kan worden gebracht (10 ^-10 m =100 picometer) op een kwantitatieve manier. Bij de metingen, een ultrakorte excitatiepuls zet de atomen van het materiaal, een poeder van kleine kristallieten, in trilling. Een in de tijd vertraagde harde röntgenpuls wordt afgebogen van het geëxciteerde monster en meet de momentane atomaire rangschikking in de vorm van een röntgenpoederdiffractiepatroon. De volgorde van dergelijke snapshots vertegenwoordigt een film van de zogenaamde elektronendichtheidskaart waaruit de ruimtelijke verdeling van elektronen en atomaire trillingen voor elk moment in de tijd wordt afgeleid ([Fig. 2]).

De elektronendichtheidskaarten laten zien dat elektronen over afstanden van 10 . bewegen ^-10 m tussen atomen die meer dan duizend keer groter zijn dan hun verplaatsingen tijdens de trillingen [Fig. 3]. Dit gedrag is te wijten aan het complexe samenspel van lokale elektrische velden met de polariseerbare elektronenwolken rond de atomen en bepaalt de momentane elektrische dipool op atomaire schaal. Door een nieuw theoretisch concept toe te passen, de tijdsafhankelijke ladingsverdeling in de atomaire wereld is gekoppeld aan de macroscopische elektrische polarisatie [Fig. 3]. De laatste wordt sterk gemoduleerd door de kleine atomaire trillingen en keert zijn teken volledig om in de tijd met de atomaire bewegingen. De modulatiefrequentie van 300 GHz wordt bepaald door de frequentie van de atomaire trillingen en komt overeen met een volledige omkering van de microscopische polarisatie binnen 1,5 ps, veel sneller dan enig bestaand ferro-elektrisch schakelapparaat. Aan het oppervlak van een kristalliet, de maximale elektrische polarisatie genereert een elektrisch veld van ongeveer 700 miljoen volt per meter.

De resultaten stellen in de tijd opgeloste ultrasnelle röntgendiffractie vast als een methode om ladingsdynamiek op atomaire schaal te koppelen aan macroscopische elektrische eigenschappen. Deze nieuwe strategie maakt het mogelijk om kwantummechanische berekeningen van elektrische eigenschappen te testen en om een ​​grote klasse van polaire en/of ionische materialen te karakteriseren met het oog op hun potentieel voor hogesnelheidselektronica.