Femtosekundröntgenförsök i kombination med ett nytt teoretiskt tillvägagångssätt upprättar en direkt koppling mellan elektriska egenskaper i den makroskopiska världen och elektronrörelser på atomernas tids- och längdskala. Resultaten öppnar en ny väg för att förstå och skräddarsy egenskaperna hos ferroelektriska material.

Fenomen i den makroskopiska världen beskrivs av klassisk fysik medan processer i atomlängd och tidsskalor styrs av kvantmekanikens lagar. Kopplingen mellan mikroskopiska och makroskopiska fysiska mängder är långt ifrån trivial och delvis oförklarlig.

Elektrisk polarisering är en makroskopisk mängd som beskriver materiens dipolmoment. Polarisationen härstammar från den säregna elektronfördelningen i atomskala i polära och joniska material, bland dem den mest intressanta klassen av ferroelektriker. Deras spontana elektriska polarisering tillämpas allmänt i elektroniska sensorer, minnen, och växla enheter. Länken mellan polarisationer, i synnerhet tidsberoende, och mikroskopiska elektrondensiteter är viktiga för att förstå och skräddarsy egenskaperna hos ferroelektriska ämnen.

Baserat på ett nytt experimentellt och teoretiskt tillvägagångssätt, forskare från Max Born Institute har nu etablerat en direkt kvantitativ koppling mellan makroskopiska elektriska polarisationer och tidsberoende mikroskopiska elektrontätheter. När de rapporterar in Fysisk granskning B , atomrörelser i ferroelektriker lanseras genom optisk excitation och modulerar elektronfördelningen på en femtosekund tidsskala (1 fs =10 ^-15 sekunder). Den resulterande dynamiken för elektrontäthet kartläggs genom tidsupplöst röntgenpulverdiffraktion. Sådana data möjliggör generering av tidsmässigt och rumsligt upplösta elektrontäthetskartor från vilka den momentana makroskopiska polarisationen härleds med hjälp av ett nytt teoretiskt koncept. Metodens potential demonstreras med två prototyp ferroelektriska material.

Det teoretiska arbetet utökar den befintliga kvantfasmetoden för beräkning av stationära makroskopiska polarisationer mot ultrasnabb icke -jämviktsdynamik för elektronladdning och polarisering. De teoretiska nyckelstegen består i att härleda en mikroskopisk strömtäthet från tidsberoende elektrontäthetskartor samtidigt som elektronens kinetiska energi minimeras, och beräkning av den makroskopiska polarisationen från strömtätheten. Denna metod tillämpas på prototypen ferroelektriskt material ammoniumsulfat [(NH4) 2SO4, Fig. 1] med den tidsberoende elektron- och strömtätheten som visas i filmen. Som ett andra prototypsystem, kaliumdivätefosfat [KH2PO4] undersöktes. Analysen ger makroskopiska polarisationer och deras absoluta värden som styrs av mikroskopiska vibrationer.

Resultaten fastställer ultrasnabb röntgendiffraktion som ett unikt verktyg för att förstå makroskopiska elektriska egenskaper hos komplexa material. Den breda relevansen av denna nya insikt understryks av valet av artikeln som ett redaktörsförslag.