Femtoseconde röntgenexperimenten in combinatie met een nieuwe theoretische benadering leggen een direct verband tussen elektrische eigenschappen in de macroscopische wereld en elektronenbewegingen op de tijd- en lengteschaal van atomen. De resultaten openen een nieuwe route voor het begrijpen en afstemmen van de eigenschappen van ferro-elektrische materialen.

Verschijnselen in de macroscopische wereld worden beschreven door de klassieke natuurkunde, terwijl processen op atoomlengte en tijdschalen worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica. Het verband tussen microscopische en macroscopische fysieke grootheden is verre van triviaal en deels onverklaard.

Elektrische polarisatie is een macroscopische grootheid die het dipoolmoment van materie beschrijft. De polarisatie komt voort uit de eigenaardige elektronenverdeling op atomaire schaal in polaire en ionische materialen, onder hen de meest interessante klasse van ferro-elektriciteit. Hun spontane elektrische polarisatie wordt veel toegepast in elektronische sensoren, herinneringen, en schakelapparatuur. De link tussen polarisaties, in het bijzonder tijdsafhankelijke, en microscopisch kleine elektronendichtheden is belangrijk voor het begrijpen en afstemmen van de eigenschappen van ferro-elektriciteit.

Gebaseerd op een nieuwe experimentele en theoretische benadering, wetenschappers van het Max Born Institute hebben nu een direct kwantitatief verband gelegd tussen macroscopische elektrische polarisaties en tijdsafhankelijke microscopische elektronendichtheden. Zoals ze rapporteren in Fysieke beoordeling B , atomaire bewegingen in ferro-elektriciteit worden gelanceerd door optische excitatie en moduleren de elektronenverdeling op een femtoseconde tijdschaal (1 fs =10 ^-15 seconden). De resulterende dynamiek van elektronendichtheid wordt in kaart gebracht door in de tijd opgeloste röntgenpoederdiffractie. Dergelijke gegevens maken het genereren van tijdelijke en ruimtelijk opgeloste elektronendichtheidskaarten mogelijk, waaruit de momentane macroscopische polarisatie wordt afgeleid met behulp van een nieuw theoretisch concept. Het potentieel van de methode wordt gedemonstreerd met twee prototype ferro-elektrische materialen.

Het theoretische werk breidt de bestaande kwantumfasebenadering voor het berekenen van stationaire macroscopische polarisaties uit naar ultrasnelle niet-evenwichtsdynamica van elektronenlading en polarisatie. De theoretische belangrijkste stappen bestaan ​​uit het afleiden van een microscopische stroomdichtheid uit tijdsafhankelijke elektronendichtheidskaarten terwijl de kinetische energie van het elektron wordt geminimaliseerd, en het berekenen van de macroscopische polarisatie uit de stroomdichtheid. Deze methode wordt toegepast op het prototype ferro-elektrisch materiaal ammoniumsulfaat [(NH4)2SO4, Fig. 1] met de tijdsafhankelijke elektronen- en stroomdichtheden die in de film worden getoond. Als een tweede prototype systeem, kaliumdiwaterstoffosfaat [KH2PO4] onderzocht. De analyse geeft macroscopische polarisaties en hun absolute waarden zoals bepaald door microscopische trillingen.

De resultaten stellen ultrasnelle röntgendiffractie vast als een uniek hulpmiddel voor het begrijpen van macroscopische elektrische eigenschappen van complexe materialen. De brede relevantie van dit nieuwe inzicht wordt onderstreept door de selectie van het artikel als Editor's Suggestion.