Eine Fernbedienung für Funktionsmaterialien

Eine intensive Anregung im mittleren Infrarotbereich hat sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Steuerung der magnetischen, ferroelektrischen und supraleitenden Eigenschaften komplexer Materialien erwiesen. Nichtlineare Phononik ist der Schlüssel zu diesem Ziel, da sie bestimmte Atome aus ihrer Gleichgewichtsposition verschiebt, um mikroskopische Wechselwirkungen zu manipulieren. Bisher wurde angenommen, dass dieser Effekt nur innerhalb des optisch angeregten Volumens auftritt. Jetzt entdeckten Hamburger Forscher, dass die Polarisierungsumkehr im ferroelektrischen Lithiumniobat (LiNbO3) sogar in Bereichen auftritt, die weit entfernt vom direkten „Treffer“ des Lichts liegen. Das bisher unbekannte Phänomen – genannt nichtlokale nichtlineare Phononik – wurde in veröffentlicht Naturphysik.

Ferroelektrische Materialien wie LiNbO3 besitzen eine statische elektrische Polarisation, die durch positive und negative Ladungslinien erzeugt wird, die mit einem elektrischen Feld geschaltet werden können. Diese einzigartige Eigenschaft macht diese Materialien zum Grundbaustein vieler moderner elektronischer Komponenten in Smartphones, Laptops und Ultraschallgeräten. Die Verwendung von Laserlicht zur Änderung der ferroelektrischen Polarisation ist ein neuer Ansatz, der extrem schnelle Prozesse ermöglicht, was ein entscheidender Schritt in der Entwicklung hocheffizienter ultraschneller optischer Schalter für neue Geräte wäre.

Die Forscher in der Gruppe von Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik (MPSD) verwendeten Pulse im mittleren Infrarot, um die Oberfläche eines LiNbO3-Kristalls anzuregen und eine starke Vibration in einem Bereich auszulösen, der sich über eine Tiefe von 3 Mikrometern vom Kristall erstreckt Oberfläche. Dann verwendeten sie eine Technik namens Femtosekunden-stimulierte Raman-Streuung, um ultraschnelle Änderungen der ferroelektrischen Polarisation über die gesamte Kristalldicke von 50 Mikrometern zu messen. Die Messungen ergaben, dass Lichtpulse mit sehr hoher Energiedichte dazu führen, dass sich die ferroelektrische Polarisation im gesamten Kristall umkehrt. Durch die Verwendung von Computermethoden zur Simulation der Auswirkungen nichtlinearer Phononik in LiNbO3 stellten die Autoren fest, dass starke Polarisationswellen, sogenannte Polaritonen, aus dem kleinen Volumen austreten, das vom Lichtimpuls durchquert wird, und sich durch die verbleibende Tiefe des Kristalls bewegen. Es wird angenommen, dass diese Polaritonwellen eine bedeutende Rolle bei der Änderung der ferroelektrischen Polarisation in den Abschnitten des Kristalls spielen, die von dem Lichtimpuls nicht berührt werden.

Die von Henstridge et al. Fügen Sie dem schwer fassbaren Puzzle der ultraschnellen Ferroelektrizität ein aufregendes neues Teil hinzu, dessen Verständnis zu neuen Gerätekomponenten wie nachhaltigen optischen Schaltern führen kann. Im weiteren Sinne wirft diese Arbeit eine enorme Frage auf, ob vergangene und zukünftige Systeme, die von nichtlinearer Phononik angetrieben werden, eine ähnliche Art von nichtlokalem Charakter aufweisen können. Die Fähigkeit, funktionelle Eigenschaften aus der Ferne zu manipulieren, könnte den Bereich der Möglichkeiten für die Integration nichtlinearer Phononik in integrierte Geräte und andere komplexe Materialien erweitern und neue Wege zur Steuerung von Systemen mit Licht eröffnen.