En intensiv mellaninfraröd laserpuls träffar en ferroelektrisk LiNbO3-kristall och sparkar igång atomvibrationer endast på ett kort djup under ytan, vilket betonas av de ljusa tetraedrarna. Genom anharmonisk koppling lanserar denna starka vibration en polarisationsvåg, även kallad polariton, som fortplantar sig genom hela kristallens återstående djup för att modulera den ferroelektriska polarisationen. Kredit:Joerg M. Harms / MPSD
Intensiv mellaninfraröd excitation har visats som ett kraftfullt verktyg för att kontrollera de magnetiska, ferroelektriska och supraledande egenskaperna hos komplexa material. Icke-linjär fononik är nyckeln till detta, eftersom den förskjuter specifika atomer bort från deras jämviktspositioner för att manipulera mikroskopiska interaktioner. Hittills har denna effekt ansetts inträffa endast inom den optiskt exciterade volymen. Nu upptäckte forskare i Hamburg att polarisationsomkastningen i ferroelektriskt litiumniobat (LiNbO3 ) förekommer även i områden långt borta från direktljusets "träff". Det hittills okända fenomenet – kallat icke-lokal icke-linjär fononik – har publicerats i Nature Physics .
Ferroelektriska material som LiNbO3 har en statisk elektrisk polarisation som genereras av linjer med positiv och negativ laddning som kan kopplas om med ett elektriskt fält. Denna unika egenskap gör dessa material till den grundläggande byggstenen i många moderna elektroniska komponenter i smartphones, bärbara datorer och ultraljudsbilder. Att använda laserljus för att ändra den ferroelektriska polarisationen är ett nytt tillvägagångssätt som möjliggör extremt snabba processer, vilket skulle vara ett nyckelsteg i utvecklingen av högeffektiva ultrasnabba optiska omkopplare för nya enheter.
Forskarna i Andrea Cavalleris grupp vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) använde mellaninfraröda pulser för att excitera ytan på en LiNbO3 kristall, som utlöser en stark vibration i ett område som sträcker sig över ett djup av 3 mikrometer från kristallytan. Sedan använde de en teknik som kallas femtosekundstimulerad Raman-spridning för att mäta ultrasnabba förändringar av den ferroelektriska polarisationen genom hela kristalltjockleken på 50 mikrometer. Mätningarna avslöjade att ljuspulser med en mycket hög energitäthet gör att den ferroelektriska polarisationen vänder genom hela kristallen. Genom att använda beräkningsmetoder för att simulera effekterna av icke-linjär fononik i LiNbO3 , fann författarna att starka polarisationsvågor som kallas polaritoner kommer fram från den lilla volymen som genomkorsas av ljuspulsen och rör sig genom kristallens återstående djup. Dessa polaritonvågor tros spela en betydande roll för att förändra den ferroelektriska polarisationen genom de delar av kristallen som är orörda av ljuspulsen.
Resultaten rapporterade av Henstridge et al. lägg till en spännande ny bit till det svårfångade pusslet med ultrasnabb ferroelektricitet, vars förståelse kan leda till nya enhetskomponenter som hållbara optiska switchar. Mer allmänt öppnar detta arbete en enorm fråga om huruvida tidigare och framtida system som drivs av icke-linjär fononik kan uppvisa en liknande typ av icke-lokal karaktär. Möjligheten att manipulera funktionella egenskaper på avstånd skulle kunna utöka möjligheterna till att integrera icke-linjär fononik i integrerade enheter och andra komplexa material, vilket öppnar nya vägar för att styra system med ljus. + Utforska vidare
