Los cristales ferroeléctricos muestran una polarización eléctrica macroscópica, una superposición de muchos dipolos a escala atómica que se originan a partir de electrones y núcleos atómicos espacialmente separados. Se espera que la polarización macroscópica cambie cuando los átomos se pongan en movimiento, pero la conexión entre la polarización y los movimientos atómicos sigue siendo desconocida. Un experimento de rayos X resuelto en el tiempo ha revelado que pequeñas vibraciones atómicas desplazan cargas negativas a una distancia 1000 veces mayor entre átomos y cambian la polarización macroscópica en una escala de tiempo de una millonésima de millonésima de segundo.

Los materiales ferroeléctricos tienen aplicaciones en sensores electrónicos, dispositivos de memoria y conmutación. En este contexto, rápido, Los cambios controlados de sus propiedades eléctricas son esenciales para implementar funciones específicas de manera eficiente. Esto requiere comprender la conexión entre la estructura atómica y las propiedades eléctricas macroscópicas, incluyendo los mecanismos físicos que gobiernan la dinámica más rápida posible de polarizaciones eléctricas macroscópicas.

Investigadores del Instituto Max Born de Berlín han demostrado cómo las vibraciones atómicas modulan la polarización eléctrica macroscópica del prototipo de sulfato de amonio ferroeléctrico [Fig. 1] en una escala de tiempo de unos pocos picosegundos (1 picosegundo (ps) =1 millonésima de millonésima de segundo). En el número actual de la revista Dinámica estructural , reportan un experimento de rayos X ultrarrápido que permite mapear el movimiento de cargas a distancias del orden del diámetro de un átomo (10 ^-10 m =100 picómetros) de forma cuantitativa. En las medidas, un pulso de excitación ultracorto establece los átomos del material, un polvo de pequeños cristalitos, en vibración. Un pulso de rayos X duros retardado en el tiempo se difracta de la muestra excitada y mide la disposición atómica momentánea en forma de un patrón de difracción de rayos X en polvo. La secuencia de tales instantáneas representa una película del llamado mapa de densidad de electrones a partir del cual se derivan la distribución espacial de electrones y vibraciones atómicas para cada instante en el tiempo ([Fig. 2]).

Los mapas de densidad de electrones muestran que los electrones se mueven a distancias de 10 ^-10 m entre átomos que son más de mil veces más grandes que sus desplazamientos durante las vibraciones [Fig. 3]. Este comportamiento se debe a la compleja interacción de los campos eléctricos locales con las nubes de electrones polarizables alrededor de los átomos y determina el dipolo eléctrico momentáneo a escala atómica. Aplicando un concepto teórico novedoso, la distribución de carga dependiente del tiempo en el mundo atómico está vinculada a la polarización eléctrica macroscópica [Fig. 3]. Este último está fuertemente modulado por las diminutas vibraciones atómicas e invierte completamente su signo en el tiempo con los movimientos atómicos. La frecuencia de modulación de 300 GHz se establece por la frecuencia de las vibraciones atómicas y corresponde a una inversión completa de la polarización microscópica dentro de 1,5 ps, mucho más rápido que cualquier dispositivo de conmutación ferroeléctrico existente. En la superficie de un cristalito, la polarización eléctrica máxima genera un campo eléctrico de aproximadamente 700 millones de voltios por metro.

Los resultados establecen la difracción de rayos X ultrarrápida resuelta en el tiempo como un método para vincular la dinámica de carga a escala atómica con las propiedades eléctricas macroscópicas. Esta nueva estrategia permite probar cálculos de mecánica cuántica de propiedades eléctricas y caracterizar una gran clase de materiales polares y / o iónicos en vista de su potencial para la electrónica de alta velocidad.