Ljus kan användas inte bara för att mäta materialets egenskaper, men också att ändra dem. Särskilt intressant är de fall där ett materials funktion kan ändras, såsom dess förmåga att leda elektricitet eller att lagra information i dess magnetiska tillstånd. Ett team under ledning av Andrea Cavalleri från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg har använt terahertz-frekvensljuspulser för att omvandla ett icke-ferroelektriskt material till ett ferroelektriskt.

Ferroelektricitet är ett tillstånd där det ingående gitteret är polariserat i en specifik riktning, bildar en makroskopisk elektrisk polarisering. Möjligheten att vända polarisering gör ferroelektriska material särskilt lämpliga för digital informationskodning och bearbetning. Upptäckten av en ljusinducerad ferroelektrisk är mycket relevant för en ny generation höghastighetsanordningar, och presenteras idag i tidningen Vetenskap .

Komplexa material är speciella eftersom deras ovanliga makroskopiska egenskaper bestäms av många konkurrerande tendenser. Till skillnad från i mer konventionella föreningar, såsom kiselkristaller som utgör nuvarande elektroniska enheter, i komplexa material finner man att mer än en typ av mikroskopisk interaktion gynnar mer än en möjlig makroskopisk fas.

Sådan konkurrens leder då till en kompromiss, men en som inte är unik och ofta är i osäker jämvikt. Därav, måttliga störningar, till exempel bestrålning av ett sådant material med ljus, kan framkalla radikala förändringar i fastämnets egenskaper.

Ultra-korta terahertz laserpulser är särskilt användbara eftersom de kopplas direkt till kristallgitteret och kan deformera atomarrangemang vid höga hastigheter. Samstämd excitation av gittervibrationer har tidigare visat sig orsaka förändringar av elektriska egenskaper eller magnetiska arrangemang i ett antal komplexa material, inklusive superledare.

I sin senaste forskning, forskarna beskriver hur de inducerade en ferroelektrisk ordning i ett material, en egenskap hos fasta ämnen som kan vara mycket relevanta för applikationer. Ferroelektricitet beskriver den spontana inriktningen av elektriska dipoler, vilket leder till en makroskopisk polarisering som liknar magnetiseringen i en ferromagnet. Rent generellt, ferroelektricitet förekommer endast i en begränsad klass av material; dock, Hamburg-gruppen har upptäckt att även icke-ferroelektriska material kan tvingas in i en ferroelektrisk fas av ljus.

Strontiumtitanat (STO) är paraelektriskt vid alla temperaturer och en långsträckt ferroelektrisk ordning utvecklas aldrig. Vid spännande vibrationer i STO av ljus, forskarna observerade egenskaper i sina optiska och elektriska svar typiska för ferroelektricitet. Ursprunget till denna överraskande effekt ligger i kristallgitterets olinjära natur. Den drivna fononen levererar en del av sin energi i form av tryck till det fasta, vilket resulterar i en rumsligt varierande strukturell deformation inom det upphetsade området. Under dessa förhållanden, en materialegenskap som kallas flexoelektricitet kan aktiveras, vilket resulterar i en makroskopisk polarisering. Slående, det fotoinducerade tillståndet befanns överleva i timmar efter att det skapades, visar att materialet övergick till en ny kvasi-stabil fas.

"Möjligheten att framkalla och kontrollera ferroelektriska tillstånd med ljus på ultrasnabba tidsskalor kan utgöra grunden för nästa generations teknik", säger Tobia Nova, tidningens första författare. Ferroelektriska material är redan kärnan i enheter under utveckling, som utnyttjar sin spontana polarisering för att skapa stabila minneschips eller "alltid på" datorer. Eftersom den ljusinducerade ferroelektriska fasen som demonstrerades i Hamburg-experimentet fungerar vid terahertz-frekvenser, elektrooptiska enheter som arbetar vid så höga hastigheter kan tänkas. Dessutom, eftersom flexoelektricitet är en vanlig materiell egenskap, förmågan att framkalla ultrasnabba flexoelektriska polarisationer sträcker sig långt bortom det specifika exemplet på STO. Slutligen, eftersom STO rutinmässigt används som ett substrat i komplexa heterostrukturer, den optiska åtkomsten till flexoelektriska polarisationer bör hitta omfattande tillämpningar vid manipulation av kollektiva fenomen vid gränssnitt.