光不僅可以用來測量材料的屬性 還可以用來改變它們

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，例如其導電或以其磁狀態(tài)存儲信息的能力。由漢普頓Max Planck物質結構和動力學研究所的Andrea Cavalleri領導的團隊使用太赫茲頻率光脈沖將非鐵電材料轉變?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)。反轉偏振的能力使得鐵電材料特別適合于數字信息編碼和處理。光誘導鐵電體的發(fā)現與新一代高速器件高度相關，今天發(fā)表在“ 科學 ”雜志上。

復雜的材料是特殊的，因為它們不同尋常的宏觀特性是由許多競爭趨勢決定的。與更常規(guī)的化合物(例如構成電流電子器件的硅晶體)不同，在復雜材料中，人們發(fā)現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。

這種競爭導致了妥協(xié)，但這種競爭并不是獨一無二的，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，可以引起固體性質的根本變化。

超短太赫茲激光脈沖特別有用，因為它們直接耦合到晶格并且可以高速變形原子排列。過去已經示出了晶格振動的相干激發(fā)，以引起許多復雜材料(包括超導體)中的電特性或磁性布置的變化。

在他們的最新研究中，科學家們描述了它們如何誘導材料中的鐵電有序，固體屬性與應用高度相關。鐵電描述了電偶??極子的自發(fā)對準，這導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，漢堡集團已經發(fā)現即使是非鐵電材料也可以通過光強制進入鐵電相。

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，研究人員觀察到其鐵電性典型的光學和電學響應特征。這種驚人效果的起源在于晶格的非線性特性。被驅動的聲子以壓力的形式將一些能量傳遞給固體，導致激發(fā)區(qū)域內的空間變化的結構變形。在這些條件下，可以激活稱為撓曲電性的材料特性，從而產生宏觀極化。引人注目的是，發(fā)現光誘導狀態(tài)在產生后存活數小時，表明材料轉變?yōu)樾碌臏史€(wěn)定相。

“利用光在超快時間尺度上誘導和控制鐵電狀態(tài)的能力可以為下一代技術提供基礎”，該論文的第一作者Tobia Nova說。鐵電材料已經成為開發(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“永遠在線”的計算機。因為在漢堡實驗中證明的光誘導鐵電相在太赫茲頻率下工作，所以可以設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遠超出STO的具體例子。最后，因為STO通常用作復雜異質結構的基質，