Gli esperimenti a raggi X a femtosecondi in combinazione con un nuovo approccio teorico stabiliscono una connessione diretta tra le proprietà elettriche nel mondo macroscopico ei movimenti degli elettroni sulla scala temporale e di lunghezza degli atomi. I risultati aprono una nuova strada per comprendere e adattare le proprietà dei materiali ferroelettrici.

I fenomeni nel mondo macroscopico sono descritti dalla fisica classica mentre i processi a lunghezza atomica e su scala temporale sono governati dalle leggi della meccanica quantistica. La connessione tra grandezze fisiche microscopiche e macroscopiche è tutt'altro che banale e in parte inspiegabile.

La polarizzazione elettrica è una grandezza macroscopica che descrive il momento di dipolo della materia. La polarizzazione ha origine dalla peculiare distribuzione degli elettroni su scala atomica nei materiali polari e ionici, tra questi la classe più interessante di ferroelettrici. La loro polarizzazione elettrica spontanea è ampiamente applicata nei sensori elettronici, ricordi, e dispositivi di commutazione. Il legame tra polarizzazioni, in particolare quelli dipendenti dal tempo, e le densità elettroniche microscopiche sono importanti per comprendere e adattare le proprietà dei ferroelettrici.

Sulla base di un nuovo approccio sperimentale e teorico, gli scienziati del Max Born Institute hanno ora stabilito una connessione quantitativa diretta tra le polarizzazioni elettriche macroscopiche e le densità elettroniche microscopiche dipendenti dal tempo. Come riportano in Revisione fisica B , i moti atomici nei ferroelettrici sono lanciati dall'eccitazione ottica e modulano la distribuzione degli elettroni su una scala temporale di femtosecondi (1 fs =10 ^-15 secondi). La dinamica risultante della densità elettronica viene mappata mediante diffrazione a raggi X da polvere risolta nel tempo. Tali dati consentono la generazione di mappe di densità elettronica risolte temporalmente e spazialmente da cui deriva la polarizzazione macroscopica momentanea con l'aiuto di un nuovo concetto teorico. Le potenzialità del metodo sono dimostrate con due prototipi di materiali ferroelettrici.

Il lavoro teorico estende l'approccio della fase quantistica esistente per il calcolo delle polarizzazioni macroscopiche stazionarie verso dinamiche di non equilibrio ultraveloci della carica e della polarizzazione degli elettroni. I passaggi chiave teorici consistono nel derivare una densità di corrente microscopica da mappe di densità elettronica dipendenti dal tempo riducendo al minimo l'energia cinetica degli elettroni, e calcolare la polarizzazione macroscopica dalla densità di corrente. Questo metodo viene applicato al prototipo di materiale ferroelettrico solfato di ammonio [(NH4)2SO4, Fig. 1] con l'elettrone dipendente dal tempo e le densità di corrente mostrate nel filmato. Come secondo sistema prototipo, è stato studiato il diidrogeno fosfato di potassio [KH2PO4]. L'analisi fornisce le polarizzazioni macroscopiche ei loro valori assoluti governati da vibrazioni microscopiche.

I risultati stabiliscono la diffrazione dei raggi X ultraveloce come uno strumento unico per cogliere le proprietà elettriche macroscopiche di materiali complessi. L'ampia rilevanza di questa nuova intuizione è sottolineata dalla scelta dell'articolo come suggerimento dell'editore.