Los experimentos de rayos X de femtosegundos en combinación con un nuevo enfoque teórico establecen una conexión directa entre las propiedades eléctricas en el mundo macroscópico y los movimientos de electrones en la escala de tiempo y longitud de los átomos. Los resultados abren una nueva ruta para comprender y adaptar las propiedades de los materiales ferroeléctricos.

Los fenómenos en el mundo macroscópico son descritos por la física clásica, mientras que los procesos en escala de tiempo y longitud atómica se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. La conexión entre cantidades físicas microscópicas y macroscópicas está lejos de ser trivial y en parte inexplicable.

La polarización eléctrica es una cantidad macroscópica que describe el momento dipolar de la materia. La polarización se origina en la peculiar distribución de electrones a escala atómica en materiales polares e iónicos, entre ellos la clase más interesante de ferroeléctricos. Su polarización eléctrica espontánea se aplica ampliamente en sensores electrónicos, recuerdos, y dispositivos de conmutación. El vínculo entre polarizaciones, en particular los que dependen del tiempo, y las densidades microscópicas de electrones es importante para comprender y adaptar las propiedades de los ferroeléctricos.

Basado en un nuevo enfoque experimental y teórico, Los científicos del Instituto Max Born ahora han establecido una conexión cuantitativa directa entre polarizaciones eléctricas macroscópicas y densidades de electrones microscópicos dependientes del tiempo. Como informan en Revisión física B , Los movimientos atómicos en los ferroeléctricos se inician por excitación óptica y modulan la distribución de electrones en una escala de tiempo de femtosegundos (1 fs =10 ^-15 segundos). La dinámica resultante de la densidad de electrones se mapea mediante difracción de rayos X en polvo resuelta en el tiempo. Dichos datos permiten la generación de mapas de densidad de electrones resueltos temporal y espacialmente a partir de los cuales se deriva la polarización macroscópica momentánea con la ayuda de un nuevo concepto teórico. El potencial del método se demuestra con dos prototipos de materiales ferroeléctricos.

El trabajo teórico amplía el enfoque de fase cuántica existente para calcular las polarizaciones macroscópicas estacionarias hacia la dinámica ultrarrápida de no equilibrio de la carga de electrones y la polarización. Los pasos clave teóricos consisten en derivar una densidad de corriente microscópica a partir de mapas de densidad de electrones dependientes del tiempo mientras se minimiza la energía cinética de los electrones. y calcular la polarización macroscópica a partir de la densidad de corriente. Este método se aplica al prototipo de material ferroeléctrico sulfato de amonio [(NH4) 2SO4, Fig. 1] con las densidades de corriente y electrones dependientes del tiempo que se muestran en la película. Como segundo sistema prototipo, Se investigó el dihidrogenofosfato de potasio [KH2PO4]. El análisis proporciona polarizaciones macroscópicas y sus valores absolutos gobernados por vibraciones microscópicas.

Los resultados establecen la difracción de rayos X ultrarrápida como una herramienta única para comprender las propiedades eléctricas macroscópicas de materiales complejos. La amplia relevancia de esta nueva perspectiva queda subrayada por la selección del artículo como sugerencia del editor.