Ferroelektriska kristaller uppvisar en makroskopisk elektrisk polarisering, en superposition av många dipoler i atomskala som härrör från rumsligt separerade elektroner och atomkärnor. Den makroskopiska polarisationen förväntas förändras när atomerna sätts i rörelse men sambandet mellan polarisering och atomrörelser har varit okänt. Ett tidsupplöst röntgenförsök har avslöjat att små atomvibrationer skiftar negativa laddningar över ett avstånd 1000 gånger större mellan atomer och byter den makroskopiska polarisationen på en tidsskala på en miljonedel av en miljonedel av en sekund.

Ferroelektriska material har tillämpningar i elektroniska sensorer, minne och kopplingsenheter. I detta sammanhang, snabb, kontrollerade förändringar av deras elektriska egenskaper är avgörande för att effektivt genomföra specifika funktioner. Detta kräver förståelse för sambandet mellan atomstruktur och makroskopiska elektriska egenskaper, inklusive de fysiska mekanismer som styr den snabbast möjliga dynamiken för makroskopiska elektriska polarisationer.

Forskare från Max Born Institute i Berlin har nu visat hur atomvibrationer modulerar den makroskopiska elektriska polarisationen av prototypen ferroelektriskt ammoniumsulfat [Fig. 1] på en tidsskala på några pikosekunder (1 pikosekund (ps) =1 miljonedel av en miljonedel av en sekund). I det aktuella numret av tidningen Strukturell dynamik , de rapporterar ett ultrasnabbt röntgenförsök som möjliggör kartläggning av laddningarnas rörelse över avstånd i storleksordningen av en atoms diameter (10 ^-10 m =100 pikometrar) på ett kvantitativt sätt. I mätningarna, en ultrakort excitationspuls sätter materialets atomer, ett pulver av små kristalliter, in i vibrationer. En tidsfördröjd hård röntgenpuls diffrakteras från det exciterade provet och mäter det momentana atomarrangemanget i form av ett röntgenpulverdiffraktionsmönster. Sekvensen av sådana ögonblicksbilder representerar en film av den så kallade elektrontäthetskartan från vilken den rumsliga fördelningen av elektroner och atomvibrationer härleds för varje ögonblick i tid ([Fig. 2]).

Elektronens densitetskartor visar att elektroner rör sig över avstånd på 10 ^-10 m mellan atomer som är mer än tusen gånger större än deras förskjutningar under vibrationerna [Fig. 3]. Detta beteende beror på det komplexa samspelet mellan lokala elektriska fält med de polariserbara elektronmolnen runt atomerna och bestämmer den momentana elektriska dipolen i atomskala. Tillämpa ett nytt teoretiskt koncept, den tidsberoende laddningsfördelningen i atomvärlden är kopplad till den makroskopiska elektriska polarisationen [Fig. 3]. Den senare moduleras starkt av de små atomvibrationerna och vänder sitt tecken helt i tid med atomrörelserna. Modulationsfrekvensen på 300 GHz ställs in av atomvibrationernas frekvens och motsvarar en fullständig reversering av den mikroskopiska polarisationen inom 1,5 ps, mycket snabbare än någon befintlig ferroelektrisk kopplingsenhet. På ytan av en kristallit, den maximala elektriska polarisationen genererar ett elektriskt fält på cirka 700 miljoner volt per meter.

Resultaten fastställer tidsupplöst ultrasnabb röntgendiffraktion som en metod för att koppla laddningsdynamik i atomskala till makroskopiska elektriska egenskaper. Denna nya strategi gör det möjligt att testa kvantmekaniska beräkningar av elektriska egenskaper och för att karakterisera en stor klass polära och/eller joniska material med tanke på deras potential för höghastighetselektronik.