Intense mid-infrarood excitatie is aangetoond als een krachtig hulpmiddel voor het regelen van de magnetische, ferro-elektrische en supergeleidende eigenschappen van complexe materialen. Niet-lineaire fononics is hiervoor de sleutel, omdat het specifieke atomen uit hun evenwichtsposities verplaatst om microscopische interacties te manipuleren. Tot nu toe is gedacht dat dit effect alleen optreedt binnen het optisch geëxciteerde volume. Nu ontdekten onderzoekers in Hamburg dat de polarisatie-omkering in ferro-elektrisch lithiumniobaat (LiNbO₃ ) komt zelfs voor in gebieden ver weg van de directe 'hit' van het licht. Het tot nu toe onbekende fenomeen - niet-lokale niet-lineaire phononics genoemd - is gepubliceerd in Nature Physics .

Ferro-elektrische materialen zoals LiNbO₃ bezit een statische elektrische polarisatie die wordt gegenereerd door lijnen van positieve en negatieve lading die kunnen worden geschakeld met een elektrisch veld. Deze unieke eigenschap maakt deze materialen tot de basisbouwsteen van veel moderne elektronische componenten in smartphones, laptops en apparaten voor echografie. Het gebruik van laserlicht om de ferro-elektrische polarisatie te veranderen is een nieuwe benadering die extreem snelle processen mogelijk maakt, wat een belangrijke stap zou zijn in de ontwikkeling van zeer efficiënte ultrasnelle optische schakelaars voor nieuwe apparaten.

De onderzoekers in de groep van Andrea Cavalleri aan het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) gebruikten mid-infrarood pulsen om het oppervlak van een LiNbO₃ kristal, waardoor een sterke trilling wordt gelanceerd in een gebied dat zich uitstrekt over een diepte van 3 micrometer vanaf het kristaloppervlak. Vervolgens gebruikten ze een techniek genaamd femtoseconde gestimuleerde Raman-verstrooiing om ultrasnelle veranderingen van de ferro-elektrische polarisatie te meten over de volledige kristaldikte van 50 micrometer. Uit de metingen bleek dat lichtpulsen met een zeer hoge energiedichtheid ervoor zorgen dat de ferro-elektrische polarisatie door het hele kristal omkeert. Door computationele methoden te gebruiken om de effecten van niet-lineaire phononics in LiNbO₃ te simuleren , ontdekten de auteurs dat sterke polarisatiegolven, polaritonen genaamd, tevoorschijn komen uit het kleine volume dat door de lichtpuls wordt doorlopen en door de resterende diepte van het kristal bewegen. Aangenomen wordt dat deze polaritongolven een belangrijke rol spelen bij het veranderen van de ferro-elektrische polarisatie in de secties van het kristal die niet worden aangetast door de lichtpuls.

De resultaten gerapporteerd door Henstridge et al. een spannend nieuw stukje toevoegen aan de ongrijpbare puzzel van ultrasnelle ferro-elektriciteit, waarvan het begrip kan leiden tot nieuwe apparaatcomponenten zoals duurzame optische schakelaars. Meer in het algemeen roept dit werk een enorme vraag op of systemen uit het verleden en de toekomst, aangedreven door niet-lineaire phononics, een soortgelijk type niet-lokaal karakter kunnen vertonen. Het vermogen om functionele eigenschappen op afstand te manipuleren zou het rijk van mogelijkheden voor het opnemen van niet-lineaire phononics in geïntegreerde apparaten en andere complexe materialen kunnen uitbreiden, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het besturen van systemen met licht. + Verder verkennen

Natuurlijk driedimensionaal niet-lineair fotonisch kristal