Licht kan niet alleen worden gebruikt om de eigenschappen van materialen te meten, maar ook om ze te veranderen. Vooral interessant zijn die gevallen waarin de functie van een materiaal kan worden gewijzigd, zoals het vermogen om elektriciteit te geleiden of om informatie in zijn magnetische toestand op te slaan. Een team onder leiding van Andrea Cavalleri van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg heeft lichtpulsen met terahertz-frequentie gebruikt om een ​​niet-ferro-elektrisch materiaal om te zetten in een ferro-elektrisch materiaal.

Ferro-elektriciteit is een toestand waarin het samenstellende rooster in één specifieke richting is gepolariseerd, het vormen van een macroscopische elektrische polarisatie. Het vermogen om polarisatie om te keren maakt ferro-elektrische materialen bijzonder geschikt voor digitale informatiecodering en -verwerking. De ontdekking van een door licht geïnduceerd ferro-elektrisch is zeer relevant voor een nieuwe generatie hogesnelheidsapparaten, en wordt vandaag gepresenteerd in het tijdschrift Wetenschap .

Complexe materialen zijn bijzonder omdat hun ongebruikelijke macroscopische eigenschappen worden bepaald door veel concurrerende tendensen. In tegenstelling tot meer conventionele verbindingen, zoals de siliciumkristallen waaruit de huidige elektronische apparaten bestaan, in complexe materialen vindt men dat meer dan één type microscopische interactie meer dan één mogelijke macroscopische fase begunstigt.

Dergelijke concurrentie leidt dan tot een compromis, maar een die niet uniek is en vaak in een precair evenwicht verkeert. Vandaar, matige verstoringen, bijvoorbeeld het bestralen van een dergelijk materiaal met licht, kan radicale veranderingen in de eigenschappen van de vaste stof veroorzaken.

Ultrakorte terahertz-laserpulsen zijn vooral nuttig omdat ze direct aan het kristalrooster koppelen en atomaire opstellingen met hoge snelheden kunnen vervormen. In het verleden is aangetoond dat coherente excitatie van roostertrillingen veranderingen in elektrische eigenschappen of magnetische opstellingen veroorzaakt in een aantal complexe materialen, inclusief supergeleiders.

In hun laatste onderzoek de wetenschappers beschrijven hoe ze een ferro-elektrische orde in een materiaal veroorzaakten, een eigenschap van vaste stoffen die zeer relevant kan zijn voor toepassingen. Ferro-elektriciteit beschrijft de spontane uitlijning van elektrische dipolen, wat leidt tot een macroscopische polarisatie vergelijkbaar met de magnetisatie in een ferromagneet. Over het algemeen, ferro-elektriciteit komt alleen voor in een beperkte klasse van materialen; echter, de Hamburg-groep heeft ontdekt dat zelfs niet-ferro-elektrische materialen door licht in een ferro-elektrische fase kunnen worden gedwongen.

Strontiumtitanaat (STO) is para-elektrisch bij alle temperaturen en er ontwikkelt zich nooit een ferro-elektrische orde op lange afstand. Bij opwindende trillingen in STO door licht, de onderzoekers observeerden kenmerken in de optische en elektrische reacties die typerend zijn voor ferro-elektriciteit. De oorsprong van dit verrassende effect ligt in het niet-lineaire karakter van het kristalrooster. De aangedreven fonon levert een deel van zijn energie in de vorm van druk aan de vaste stof, resulterend in een ruimtelijk variërende structurele vervorming binnen het aangeslagen gebied. In deze omstandigheden, een materiaaleigenschap genaamd flexo-elektriciteit kan worden geactiveerd, resulterend in een macroscopische polarisatie. Opvallend, de foto-geïnduceerde toestand bleek uren te overleven nadat hij was gemaakt, waaruit blijkt dat het materiaal overging naar een nieuwe quasi-stabiele fase.

"Het vermogen om ferro-elektrische toestanden te induceren en te beheersen met licht op ultrasnelle tijdschalen zou de basis kunnen vormen voor technologieën van de volgende generatie", zegt Tobia Nova, eerste auteur van het artikel. Ferro-elektrische materialen vormen al de kern van apparaten in ontwikkeling, die hun spontane polarisatie uitbuiten om stabiele geheugenchips of "always on" computers te maken. Omdat de door licht geïnduceerde ferro-elektrische fase die in het Hamburg-experiment werd gedemonstreerd, werkt op terahertz-frequenties, Er zou gedacht kunnen worden aan elektro-optische apparaten die met zulke hoge snelheden werken. Bovendien, aangezien flexo-elektriciteit een gemeenschappelijke materiële eigenschap is, het vermogen om ultrasnelle flexo-elektrische polarisaties te induceren gaat veel verder dan het specifieke voorbeeld van STO. als laatste, omdat STO routinematig wordt gebruikt als substraat in complexe heterostructuren, de optische toegang tot flexo-elektrische polarisaties zou uitgebreide toepassingen moeten vinden bij de manipulatie van collectieve verschijnselen op grensvlakken.