La luce può essere utilizzata non solo per misurare le proprietà dei materiali, ma anche per cambiarli. Particolarmente interessanti sono quei casi in cui la funzione di un materiale può essere modificata, come la sua capacità di condurre elettricità o di immagazzinare informazioni nel suo stato magnetico. Un team guidato da Andrea Cavalleri dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo ha utilizzato impulsi luminosi a frequenza terahertz per trasformare un materiale non ferroelettrico in uno ferroelettrico.

La ferroelettricità è uno stato in cui il reticolo costituente è polarizzato in una direzione specifica, formando una polarizzazione elettrica macroscopica. La capacità di invertire la polarizzazione rende i materiali ferroelettrici particolarmente adatti per la codifica e l'elaborazione di informazioni digitali. La scoperta di un ferroelettrico indotto dalla luce è molto rilevante per una nuova generazione di dispositivi ad alta velocità, ed è presentato oggi sulla rivista Scienza .

I materiali complessi sono speciali perché le loro insolite proprietà macroscopiche sono determinate da molte tendenze concorrenti. A differenza dei composti più convenzionali, come i cristalli di silicio che compongono gli attuali dispositivi elettronici, nei materiali complessi si trova che più di un tipo di interazione microscopica favorisce più di una possibile fase macroscopica.

Tale concorrenza porta quindi a un compromesso, ma non unico e spesso in equilibrio precario. Quindi, perturbazioni moderate, ad esempio irradiando uno di questi materiali con la luce, può indurre cambiamenti radicali nelle proprietà del solido.

Gli impulsi laser terahertz ultracorti sono particolarmente utili perché si accoppiano direttamente al reticolo cristallino e possono deformare le disposizioni atomiche ad alta velocità. È stato dimostrato in passato che l'eccitazione coerente delle vibrazioni del reticolo causa cambiamenti delle proprietà elettriche o delle disposizioni magnetiche in un certo numero di materiali complessi, compresi i superconduttori.

Nella loro ultima ricerca, gli scienziati descrivono come hanno indotto un ordine ferroelettrico in un materiale, una proprietà dei solidi che può essere molto rilevante per le applicazioni. La ferroelettricità descrive l'allineamento spontaneo dei dipoli elettrici, che porta ad una polarizzazione macroscopica simile alla magnetizzazione in un ferromagnete. In genere, la ferroelettricità si verifica solo in una classe limitata di materiali; però, il gruppo di Amburgo ha scoperto che anche i materiali non ferroelettrici possono essere forzati dalla luce in una fase ferroelettrica.

Il titanato di stronzio (STO) è paraelettrico a tutte le temperature e non si sviluppa mai un ordine ferroelettrico a lungo raggio. Su eccitanti vibrazioni in STO dalla luce, i ricercatori hanno osservato caratteristiche nelle sue risposte ottiche ed elettriche tipiche della ferroelettricità. L'origine di questo sorprendente effetto risiede nella natura non lineare del reticolo cristallino. Il fonone pilotato fornisce parte della sua energia sotto forma di pressione al solido, con conseguente deformazione strutturale spazialmente variabile all'interno dell'area eccitata. In queste condizioni, una proprietà del materiale chiamata flexoelettricità può essere attivata, con conseguente polarizzazione macroscopica. Sorprendentemente, si è scoperto che lo stato fotoindotto sopravvive per ore dopo essere stato creato, mostrando che il materiale è passato a una nuova fase quasi stabile.

"La capacità di indurre e controllare stati ferroelettrici con la luce su scale temporali ultraveloci potrebbe fornire la base per le tecnologie di prossima generazione", dice Tobia Nova, primo autore del saggio. I materiali ferroelettrici sono già al centro dei dispositivi in ​​fase di sviluppo, che sfruttano la loro polarizzazione spontanea per realizzare chip di memoria stabili o computer "always on". Poiché la fase ferroelettrica indotta dalla luce dimostrata nell'esperimento di Amburgo opera a frequenze terahertz, potrebbero essere previsti dispositivi elettro-ottici che funzionano a velocità così elevate. Inoltre, poiché la flexoelettricità è una proprietà materiale comune, la capacità di indurre polarizzazioni flessoelettriche ultraveloci si estende ben oltre l'esempio specifico di STO. Infine, perché STO è abitualmente utilizzato come substrato in eterostrutture complesse, l'accesso ottico alle polarizzazioni flessoelettriche dovrebbe trovare ampie applicazioni nella manipolazione dei fenomeni collettivi alle interfacce.