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光不僅可以用來測量材料的屬性,還可以用來改變它們。特別有趣的是可以修改材料功能的那些情況,例如其導(dǎo)電或以其磁狀態(tài)存儲信息的能力。由漢普頓Max Planck物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究所的Andrea Cavalleri領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用太赫茲頻率光脈沖將非鐵電材料轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電材料。
鐵電性是組成晶格在一個特定方向上極化,形成宏觀電極化的狀態(tài)。反轉(zhuǎn)偏振的能力使得鐵電材料特別適合于數(shù)字信息編碼和處理。光誘導(dǎo)鐵電體的發(fā)現(xiàn)與新一代高速器件高度相關(guān),今天發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上。
復(fù)雜的材料是特殊的,因?yàn)樗鼈儾煌瑢こ5暮暧^特性是由許多競爭趨勢決定的。與更常規(guī)的化合物(例如構(gòu)成電流電子器件的硅晶體)不同,在復(fù)雜材料中,人們發(fā)現(xiàn)不止一種類型的微觀相互作用有利于多于一種可能的宏觀相。
這種競爭導(dǎo)致了妥協(xié),但這種競爭并不是獨(dú)一無二的,而且往往處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因此,適度的擾動,例如用光照射一種這樣的材料,可以引起固體性質(zhì)的根本變化。
超短太赫茲激光脈沖特別有用,因?yàn)樗鼈冎苯玉詈系骄Ц癫⑶铱梢愿咚僮冃卧优帕小_^去已經(jīng)示出了晶格振動的相干激發(fā),以引起許多復(fù)雜材料(包括超導(dǎo)體)中的電特性或磁性布置的變化。
在他們的最新研究中,科學(xué)家們描述了它們?nèi)绾握T導(dǎo)材料中的鐵電有序,固體屬性與應(yīng)用高度相關(guān)。鐵電描述了電偶??極子的自發(fā)對準(zhǔn),這導(dǎo)致了與鐵磁體中的磁化相似的宏觀極化。通常,鐵電僅發(fā)生在有限的一類材料中; 然而,漢堡集團(tuán)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使是非鐵電材料也可以通過光強(qiáng)制進(jìn)入鐵電相。
鈦酸鍶(STO)在所有溫度下都是順電的,并且從未形成長程鐵電有序。在通過光激發(fā)STO激發(fā)振動時(shí),研究人員觀察到其鐵電性典型的光學(xué)和電學(xué)響應(yīng)特征。這種驚人效果的起源在于晶格的非線性特性。被驅(qū)動的聲子以壓力的形式將一些能量傳遞給固體,導(dǎo)致激發(fā)區(qū)域內(nèi)的空間變化的結(jié)構(gòu)變形。在這些條件下,可以激活稱為撓曲電性的材料特性,從而產(chǎn)生宏觀極化。引人注目的是,發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)狀態(tài)在產(chǎn)生后存活數(shù)小時(shí),表明材料轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臏?zhǔn)穩(wěn)定相。
“利用光在超快時(shí)間尺度上誘導(dǎo)和控制鐵電狀態(tài)的能力可以為下一代技術(shù)提供基礎(chǔ)”,該論文的第一作者Tobia Nova說。鐵電材料已經(jīng)成為開發(fā)中的器件的核心,利用它們的自發(fā)極化來制造穩(wěn)定的存儲器芯片或“永遠(yuǎn)在線”的計(jì)算機(jī)。因?yàn)樵跐h堡實(shí)驗(yàn)中證明的光誘導(dǎo)鐵電相在太赫茲頻率下工作,所以可以設(shè)想以如此高的速度工作的電光器件。此外,由于撓曲電性是常見的材料特性,因此引發(fā)超快撓曲電極極化的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出STO的具體例子。最后,因?yàn)镾TO通常用作復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基質(zhì),
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