I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia (MPSD) di Amburgo, in Germania, e dello SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti hanno acquisito nuove conoscenze sullo sviluppo dello stato ferroelettrico indotto dalla luce in SrTiO3 .
Hanno esposto il materiale a impulsi laser con frequenza nel medio infrarosso e terahertz e hanno scoperto che le fluttuazioni delle sue posizioni atomiche sono ridotte in queste condizioni. Ciò potrebbe spiegare l'emergere di una struttura dipolare più ordinata che in equilibrio e di uno stato ferroelettrico quando il materiale viene eccitato con impulsi laser.
Gli impulsi laser a frequenza del medio infrarosso e dei terahertz sono strumenti potenti per manipolare le proprietà dei materiali quantistici attraverso modifiche su misura della loro struttura cristallina. Ferroelettricità indotta dalla luce in SrTiO3 è una notevole dimostrazione di questa fisica.
Sotto l'illuminazione nel medio infrarosso, questo materiale si trasforma in uno stato di dipoli elettrici permanentemente ordinati, che è assente nel suo diagramma di fase di equilibrio. Il meccanismo alla base di questa trasformazione non è compreso.
Ora un team di ricercatori dell’MPSD e dello SLAC National Accelerator Laboratory ha eseguito un esperimento presso il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL per identificare le interazioni intrinseche rilevanti per la creazione di questo stato. La nuova intuizione è stata ottenuta non rilevando la posizione degli atomi, ma misurando le fluttuazioni di queste posizioni atomiche.
Il risultato fornisce la prova che queste fluttuazioni sono ridotte, il che potrebbe spiegare perché la struttura dipolare è più ordinata che in equilibrio e perché potrebbe essere indotto uno stato ferroelettrico. Il lavoro del gruppo Cavalleri è stato pubblicato su Nature Materials .
I materiali ferroelettrici sono caratterizzati dall'allineamento parallelo spontaneo dei dipoli elettrici, che porta ad una polarizzazione macroscopica che può puntare in due direzioni opposte. La direzione di puntamento può essere cambiata da un campo elettrico, consentendo l'uso di materiali ferroelettrici nei componenti di archiviazione ed elaborazione digitale dei moderni dispositivi elettronici.
Titanato di stronzio, SrTiO3 , è un cosiddetto paraelettrico quantistico. A differenza di molti materiali ferroelettrici, SrTiO3 manca uno stato ferroelettrico macroscopico. Tuttavia, abbondanti prove sperimentali mostrano che le fluttuazioni quantistiche del reticolo cristallino impediscono lo sviluppo dell'ordine a lungo raggio.
Sorprendentemente, nel 2019 il gruppo Cavalleri ha scoperto che SrTiO3 si trasforma in ferroelettrico quando determinate vibrazioni del reticolo cristallino vengono eccitate da intensi impulsi nel medio infrarosso. L'uso della luce per indurre e controllare la ferroelettricità ad alte frequenze elettronicamente inaccessibili può essere considerato l'elemento chiave delle future applicazioni di memoria ad alta velocità.
All’epoca si ipotizzava che la risposta non lineare del reticolo cristallino fosse l’origine di questo effetto, con conseguente formazione di deformazione che aiuta il materiale a diventare ferroelettrico. Tuttavia, mancavano misurazioni dirette della deformazione e, cosa ancora più importante, delle fluttuazioni delle posizioni atomiche nelle prime scale temporali dopo l'eccitazione nel medio IR.
I ricercatori hanno collaborato con il gruppo di Mariano Trigo allo SLAC e hanno combinato l'eccitazione del medio infrarosso con gli impulsi di raggi X a femtosecondi del laser a elettroni liberi SwissFEL per far luce su queste dinamiche, che hanno luogo su una scala temporale inferiore al picosecondo, più breve di un trilionesimo di secondo.
"In un tipico esperimento di diffrazione di raggi X, si sfrutta l'interferenza costruttiva dei raggi X diffusi dagli atomi periodicamente allineati per misurare le loro posizioni medie", afferma Michael Först, uno dei principali autori di questo lavoro. "Ma qui abbiamo rilevato la diffusione diffusa derivante dal disordine della disposizione atomica, sensibile alle fluttuazioni, in altre parole al rumore, del reticolo cristallino".
Sperimentalmente, il team ha scoperto che le fluttuazioni di alcune modalità di rotazione nel SrTiO3 reticolo, che ostacolano la formazione di ferroelettricità a lungo raggio, sono stati rapidamente ridotti dall'eccitazione pulsata del medio infrarosso. Tale soppressione non si verifica in questo materiale in equilibrio e suggerisce l'origine della ferroelettricità indotta dalla luce.
Ciò è stato confermato da una rigorosa analisi teorica che ha rivelato interazioni complesse e di ordine elevato tra un insieme di vibrazioni reticolari e la deformazione come fonte di queste osservazioni. Michael Fechner, il teorico di questo progetto, sottolinea l'importanza della collaborazione tra teoria ed esperimento:"Ci permette di affinare i nostri strumenti di previsione e, di conseguenza, di migliorare la nostra comprensione della materia e delle sue interazioni con la luce."
Andrea Cavalleri, capogruppo e direttore del MPSD, prevede nuove opportunità derivanti da questo studio. "Il fatto che alcune fluttuazioni del reticolo, che impediscono la formazione di un ordine ferroico a lungo raggio, possano essere soppresse con mezzi dinamici è nuovo e offre possibilità di comportamento simile in altri materiali quantistici.
"Inoltre, poiché il nostro gruppo studia l'ordine indotto in altri contesti, inclusi quelli magnetici e superconduttori, i risultati discussi qui potrebbero avere implicazioni più ampie oltre la fisica di SrTiO3 ," dice Cavalleri.
Ulteriori informazioni: M. Fechner et al, Fluttuazioni reticolari estinte in SrTiO3 guidato otticamente, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01791-y
Fornito dalla Max Planck Society
