Сегнетоэлектрики считаются перспективными кандидатами для электроники будущего. Эксперимент на крупнейшем в мире рентгеновском лазере — Европейском XFEL в Шенефельде близ Гамбурга — показал, что их свойства можно контролировать с высокой точностью в сверхбыстрых временных масштабах с помощью света.
Международная группа исследователей под руководством Ле Фуонг Хоанга и Джузеппе Меркурио из Европейского XFEL обнаружила новый способ чрезвычайно быстрого и точного управления свойствами сегнетоэлектрических материалов с помощью света. Этот прорыв может проложить путь к созданию более быстрых и энергоэффективных устройств памяти или электронных компонентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Сегнетоэлектрические материалы
Сегнетоэлектрики — это кристаллы, в которых положительные и отрицательные заряды слегка смещены друг относительно друга, создавая внутреннее электрическое поле, известное как спонтанная поляризация. Эту поляризацию можно изменить, приложив внешнее электрическое поле, что делает эти материалы идеальными для использования в качестве наноразмерных переключателей.
В этом исследовании учёные показали, что поляризацию можно изменять независимо от искажения решётки, с которым она обычно тесно связана. До сих пор это разделение существовало только в теории — экспериментально его никогда не наблюдали. Процесс стал возможен благодаря сверхкоротким лазерным импульсам высокой энергии, которые возбуждали электроны в материале. Это позволило команде изменить поляризацию чрезвычайно быстро — менее чем за триллионную долю секунды.
Эксперимент
На установке SCS исследователи изучили титанат бария (BaTiO₃), прототипа сегнетоэлектрического оксида, используя исключительно яркие и интенсивные рентгеновские вспышки Европейского XFEL вместе с оптическими лазерами. С помощью своих методов измерения они смогли отслеживать изменения в поляризации материала, структуре решётки и электронном состоянии в одинаковых условиях — с временным разрешением всего 90 фемтосекунд, или одной миллионной миллиардной доли секунды.
Они обнаружили, что всего через 350 фемтосекунд после возбуждения лазером поляризация уже значительно изменилась — без заметного сдвига кристаллической решётки. «Наши измерения показывают, что поляризация в основном контролировалась фотовозбуждёнными электронами, а не структурными искажениями», — объясняет Ле Фуонг Хоанг.
«Это разделение открывает новые возможности для разработки будущих электронных компонентов», — добавляет Джузеппе Меркурио. «До сих пор для достижения определённых состояний поляризации требовалось применение электрических полей и сложных схем. В будущем может быть достаточно световых импульсов. Возможно, также удастся управлять магнитными свойствами аналогичным образом — например, в так называемых мультиферроиках, которые можно контролировать как электрически, так и магнитно», — прогнозирует Меркурио.
Исследование демонстрирует принципиально новый подход к управлению материалами — не только более быстрый, но и основанный на механизмах, альтернативных традиционному подходу к формированию свойств материалов путём разработки образцов. Исследователи убеждены, что это важный шаг к созданию электроники, управляемой светом, с потенциально широким спектром применения в сенсорных технологиях, обработке данных и энергоэффективном хранении информации.
Предоставлено Европейским XFEL.
published in the journal Nature Communications.”,”Ferroelectric materials are crystals in which positive and negative charges are slightly displaced from one another, generating an internal electric field—known as spontaneous polarization. This polarization can be reversed by applying an external electric field, making these materials ideal for use as nanoscale switches.”,”In this study, the researchers have now shown that the polarization can be altered independently of the lattice distortion to which it is usually closely linked. Until now, this decoupling had only been theorized—it had never been observed experimentally. The process was enabled by ultra-short, high-energy laser pulses, which excited the electrons in the material. This allowed the team to change the polarization extremely fast—in less than a trillionth of a second.”,”At the SCS instrument, the researchers studied barium titanate (BaTiO₃), a prototypical ferroelectric oxide, using the exceptionally bright and intense X-ray flashes of European XFEL, together with optical lasers. With their measurement techniques, they were able to track changes in the material’s polarization, lattice structure and electronic state under the same conditions—with a temporal resolution of just 90 femtoseconds, or one-millionth of a billionth of a second.”,”They observed that just 350 femtoseconds after excitation by the laser, the polarization had already changed significantly—without the crystal lattice having had time to shift notably. \”Our measurements show that the polarization was primarily controlled by photoexcited electrons rather than structural distortions,\” explains Le Phuong Hoang.”,”\”This decoupling opens up new possibilities for designing future electronic components,\” adds Giuseppe Mercurio.”,”\”Until now, achieving specific polarization states has required applying electric fields and complex circuitry. In future, light pulses could be sufficient. It might also be possible to manipulate magnetic properties in a similar way—for example, in so-called multiferroics, which can be controlled both electrically and magnetically,\” Mercurio predicts.”,”The study demonstrates a fundamentally new approach to controlling materials—not only faster, but also via mechanisms alternative to the typical approach of tailoring material properties by sample design. The researchers are convinced this marks an important step towards light-controlled electronics, with potentially wide-ranging applications in sensing technologies, data processing, and energy-efficient information storage.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tEuropean XFEL\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник