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重磅:實現用光誘導非鐵電材料轉化為鐵電材料!


博科園光不僅可以用來測量材料的性能,還可以用來改變它們。特別有趣的是那些材料功能可以被改變的例子,例如導電能力或者在磁性狀態下存儲信息的能力...

- 2019年6月14日19時00分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

光不僅可以用來測量材料的性能,還可以用來改變它們。特別有趣的是那些材料功能可以被改變的例子,例如導電能力或者在磁性狀態下存儲信息的能力。德國漢堡馬馬克斯普朗克物質結構和動力學研究所,安德里亞·卡瓦列里領導的研究小組利用太赫茲頻率的光脈衝將一種非鐵電材料轉化為鐵電材料。鐵電是指組成晶格在一個特定方向極化,形成宏觀電極化的一種狀態。

反向極化的能力使鐵電材料特別適合數字信息編碼和處理。光誘導鐵電體的發現與新一代高速器件高度相關,並於2019年6月14日發表在《科學》上。複雜材料之所以特殊,是因為它們不同尋常的宏觀性能是由許多相互競爭的趨勢決定。與傳統化合物不同,如構成當前電子器件的矽晶體,在複雜材料中,人們發現不止一種微觀相互作用有利於不止一種可能的宏觀相。這樣的競爭會導致一種「妥協」,但這種妥協並不獨特,而且往往處於不穩定的平衡狀態。


因此,適度擾動,例如用光照射這樣一種材料,可以引起固體性質的根本變化。超短太赫茲雷射脈衝特別有用,因為它們直接耦合到晶格上,可以在高速下使原子排列變形。晶格振動的相干激發在過去已被證明會引起包括超導體在內的許多複雜材料的電性能或磁性排列變化。在最新的研究中,科學家們描述了如何在一種材料中誘導鐵電順序,這是一種固體的特性,可能與應用高度相關。

鐵電描述了電偶極子的自發排列,這導致了類似於鐵磁體磁化的宏觀極化。一般來說,鐵電性只發生在有限種類的材料中,然而發現,即使是非鐵電材料也可以被光強迫進入鐵電相。鈦酸鍶(STO)在任何溫度下都是副電性的,長期鐵電性順序從未形成。通過光在鈦酸鍶中激發振動,研究人員觀察到其典型鐵電性質的光和電響應特性。這種驚人效應的起源在於晶格的非線性性質,驅動聲子將部分能量以壓力的形式傳遞給固體,從而在受激區域內產生空間變化的結構變形。

在這些條件下,一種被稱為柔性電的材料特性可以被激活,從而產生宏觀極化。引人注目的是,光誘導態被發現在被創造出來後能存活數小時,這表明這種物質過渡到了一種新的准穩定相。利用超快時間尺度的光誘導和控制鐵電態能力,可能為下一代技術奠定基礎。鐵電材料已經成為正在開發的器件的核心,這些器件利用自發極化來製造穩定的內存晶片或「一直在運行」的計算機。


因為光誘導鐵電相在Hamburg實驗中被證明是在太赫茲頻率下運行,所以在如此高速度下工作的電光器件是可以設想的。此外,由於彎曲電是一種常見的材料特性,誘導超快彎曲電極化的能力遠遠超出了鈦酸鍶的具體例子。由於鈦酸鍶通常被用作複雜異質結構的襯底,利用屈曲電極化的光學方法,應該在處理介面上的集體現象方面得到廣泛應用。


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