Investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo, Alemania y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Estados Unidos han obtenido nuevos conocimientos sobre el desarrollo del estado ferroeléctrico inducido por la luz en SrTiO3 .
Expusieron el material a pulsos láser de frecuencia de terahercios y de infrarrojo medio y descubrieron que las fluctuaciones de sus posiciones atómicas se reducen en estas condiciones. Esto puede explicar la aparición de una estructura dipolar más ordenada que en equilibrio y de un estado ferroeléctrico cuando el material se excita con pulsos láser.
Los pulsos láser de frecuencia de infrarrojo medio y terahercios son herramientas poderosas para manipular las propiedades de los materiales cuánticos mediante modificaciones personalizadas de su estructura cristalina. Ferroelectricidad inducida por la luz en SrTiO3 es una demostración notable de estas físicas.
Bajo la iluminación del infrarrojo medio, este material se transforma en un estado de dipolos eléctricos permanentemente ordenados, que está ausente en su diagrama de fases de equilibrio. No se comprende el mecanismo subyacente a esta transformación.
Ahora, un equipo de investigadores del MPSD y del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC ha realizado un experimento en el láser de electrones libres de rayos X SwissFEL para identificar las interacciones intrínsecas relevantes para la creación de este estado. El nuevo conocimiento no se obtuvo detectando la posición de los átomos, sino midiendo las fluctuaciones de estas posiciones atómicas.
El resultado proporciona evidencia de que estas fluctuaciones se reducen, lo que puede explicar por qué la estructura dipolar está más ordenada que en equilibrio y por qué se podría inducir un estado ferroeléctrico. El trabajo del grupo Cavalleri ha sido publicado en Nature Materials .
Los materiales ferroeléctricos se caracterizan por la alineación paralela espontánea de dipolos eléctricos, lo que lleva a una polarización macroscópica que puede apuntar en dos direcciones opuestas. La dirección de apuntamiento puede cambiarse mediante un campo eléctrico, lo que permite el uso de ferroeléctricos en los componentes de procesamiento y almacenamiento digital de los dispositivos electrónicos modernos.
Titanato de estroncio, SrTiO3 , es el llamado paraeléctrico cuántico. A diferencia de muchos de los materiales ferroeléctricos, SrTiO3 Carece de un estado ferroeléctrico macroscópico. Sin embargo, abundante evidencia experimental muestra que las fluctuaciones cuánticas de la red cristalina impiden que se desarrolle el orden de largo alcance.
Sorprendentemente, en 2019 el grupo Cavalleri descubrió que el SrTiO3 Se transforma en ferroeléctrico cuando ciertas vibraciones de la red cristalina son excitadas por pulsos intensos en el infrarrojo medio. El uso de la luz para inducir y controlar ferroelectricidad a altas frecuencias electrónicamente inaccesibles puede concebirse como el elemento clave de futuras aplicaciones de memoria de alta velocidad.
En ese momento, se especuló que la respuesta no lineal de la red cristalina era el origen de este efecto, lo que resultaba en la formación de una tensión que ayuda al material a volverse ferroeléctrico. Sin embargo, faltaban mediciones directas de la deformación y, lo que es aún más importante, de las fluctuaciones de las posiciones atómicas en las primeras escalas de tiempo después de la excitación del IR medio.
Los investigadores se asociaron con el grupo de Mariano Trigo en SLAC y combinaron la excitación del infrarrojo medio con pulsos de rayos X de femtosegundos del láser de electrones libres SwissFEL para iluminar estas dinámicas, que tienen lugar en una escala de tiempo de subpicosegundos, más corta que un billonésima de segundo.
"En un experimento típico de difracción de rayos X se utiliza la interferencia constructiva de los rayos X dispersados por los átomos periódicamente alineados para medir sus posiciones medias", afirma Michael Först, uno de los principales autores de este trabajo. "Pero en este caso hemos detectado la dispersión difusa que se produce debido al desorden en la disposición atómica, que es sensible a las fluctuaciones, es decir, al ruido, de la red cristalina".
Experimentalmente, el equipo descubrió que las fluctuaciones de ciertos modos de rotación en el SrTiO3 La excitación pulsada del infrarrojo medio redujo rápidamente la formación de ferroelectricidad de largo alcance. Esta supresión no ocurre en este material en equilibrio y sugiere el origen de la ferroelectricidad inducida por la luz.
Esto fue confirmado por un riguroso análisis teórico que reveló interacciones complejas y de alto orden entre un conjunto de vibraciones de la red y la tensión como fuente de estas observaciones. Michael Fechner, el teórico de este proyecto, destaca la importancia de la colaboración entre teoría y experimento:"Nos permite perfeccionar nuestras herramientas de predicción y, en consecuencia, mejorar nuestra comprensión de la materia y sus interacciones con la luz".
Andrea Cavalleri, líder de grupo y director del MPSD, prevé nuevas oportunidades que surgirán de este estudio. "El hecho de que ciertas fluctuaciones de la red, que impiden la formación de orden ferroico de largo alcance, puedan suprimirse por medios dinámicos es nuevo y ofrece posibilidades de comportamiento similar en otros materiales cuánticos.
"Además, como nuestro grupo estudia el orden inducido en otros entornos, incluidos los magnéticos y los superconductores, los resultados discutidos aquí pueden tener implicaciones más amplias más allá de la física del SrTiO3. ", dice Cavalleri.
Más información: M. Fechner et al, Fluctuaciones de red apagadas en SrTiO3 impulsado ópticamente, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01791-y
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
