Ferroelektrisk enkristall-arkitektur-i-glas är en ny klass av metamaterial som skulle möjliggöra aktiv integrerad optik om det ferroelektriska beteendet bevaras inom glasets gränser. Vi visar med hjälp av litiumniobatkristaller tillverkade i litiumniobosilikatglas genom femtosekundlaserbestrålning att inte bara sådant beteende bevaras, de ferroelektriska domänerna kan konstrueras med en DC-bias. Ett piezoresponskraftmikroskop används för att karakterisera det piezoelektriska och ferroelektriska beteendet. Piezoresponsen korrelerar med orienteringen av kristallgittret som förväntat för obegränsad kristall, och en komplex ferroelektrisk domänstruktur i mikro- och nanoskala av de växande kristallerna avslöjas. Kredit:Keith Veenhuizen, Sean McAnany, Rama Vasudevan, Daniel Nolan, Bruce Aitken, Stephen Jesse, Sergei V. Kalinin, Himanshu Jain och Volkmar Dierolf
Ett team av forskare från Lehigh University, Oak Ridge National Laboratory, Lebanon Valley College och Corning Inc. har visat, för första gången, att kristaller tillverkade av lasrar i en glasmatris bibehåller full ferroelektrisk funktionalitet.
"Detta inkluderar förmågan att likformigt orientera och omvänd orientera de ferroelektriska domänerna med ett elektriskt fält, trots att kristallen är starkt begränsad av det omgivande glaset, säger Volkmar Dierolf, Ordförande för Lehigh Universitys institution för fysik och en av forskarna som arbetade med experimenten som resulterade i dessa fynd.
Dierolf, som har ett gemensamt uppdrag med Lehighs avdelning för materialvetenskap och teknik del av P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science, är en av huvudutredarna i ett National Science Foundation (NSF)-finansierat projekt, Kristall i glas, tillsammans med chefsutredaren Himanshu Jain, Diamond Distinguished ordförande vid Lehighs institution för materialvetenskap och teknik. Gruppen har blivit världsledande inom tillverkning av enkristaller i glas genom lokaliserad laserbestrålning.
Teamet genomförde den första detaljerade undersökningen av de piezoelektriska och ferroelektriska egenskaperna hos laserinducerade kristaller inneslutna i glas. De fann att de växande kristallerna har en komplex ferroelektrisk domänstruktur som kan manipuleras via applicering av en DC-bias. Resultaten kommer att publiceras i ett kommande nummer av MRS Communications i ett papper som heter "Ferroelektrisk domänteknik av litiumniobat enkristall innesluten i glas."
"Fynden öppnar möjligheten för en ny samling optiska enheter som använder fullt fungerande lasertillverkade kristaller i glas som förlitar sig på den exakta kontrollen av kristallens ferroelektriska domänstruktur, sa Keith Veenhuizen, för närvarande biträdande professor, Institutionen för fysik vid Lebanon Valley College och huvudförfattaren till artikeln, som bygger på det arbete han gjorde som doktorand vid Lehigh.
Tillämpningar för sådan teknik inkluderar användning i modern fiberoptisk teknologi som används för dataöverföring.
"Att kunna bädda in sådana funktionella enkristallarkitekturer i ett glas möjliggör högeffektiv koppling till befintliga glasfibernätverk, ", säger Dierolf. "Sådana lågförlustlänkar? som maximerar prestanda? är av särskild betydelse för framtida kvantinformationsöverföringssystem som förväntas ta över de nuvarande systemen för optisk kommunikation, " tillägger Dierolf.
