L'intensa eccitazione nel medio infrarosso si è dimostrata un potente strumento per controllare le proprietà magnetiche, ferroelettriche e superconduttive di materiali complessi. La fononica non lineare è la chiave a tal fine, poiché sposta atomi specifici lontano dalle loro posizioni di equilibrio per manipolare le interazioni microscopiche. Finora, si è pensato che questo effetto si verificasse solo all'interno del volume otticamente eccitato. Ora i ricercatori di Amburgo hanno scoperto che l'inversione di polarizzazione nel niobato di litio ferroelettrico (LiNbO₃ ) si verifica anche in aree ben lontane dal "colpito" della luce diretta. Il fenomeno finora sconosciuto, chiamato fononica non lineare non locale, è stato pubblicato su Nature Physics .

Materiali ferroelettrici come LiNbO₃ possiedono una polarizzazione elettrica statica generata da linee di carica positiva e negativa che possono essere commutate con un campo elettrico. Questa proprietà unica rende questi materiali l'elemento base di molti componenti elettronici moderni in smartphone, laptop e dispositivi di imaging a ultrasuoni. L'uso della luce laser per modificare la polarizzazione ferroelettrica è un nuovo approccio che consente processi estremamente veloci che sarebbero un passaggio chiave nello sviluppo di interruttori ottici ultraveloci altamente efficienti per nuovi dispositivi.

I ricercatori del gruppo di Andrea Cavalleri al Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) hanno utilizzato impulsi nel medio infrarosso per eccitare la superficie di un LiNbO₃ cristallo, lanciando una forte vibrazione in una regione che si estende per una profondità di 3 micrometri dalla superficie del cristallo. Quindi, hanno usato una tecnica chiamata diffusione Raman stimolata a femtosecondi per misurare i cambiamenti ultraveloci della polarizzazione ferroelettrica attraverso l'intero spessore del cristallo di 50 micrometri. Le misurazioni hanno rivelato che gli impulsi di luce con una densità di energia molto elevata provocano l'inversione della polarizzazione ferroelettrica in tutto il cristallo. Utilizzando metodi computazionali per simulare gli effetti della fononica non lineare in LiNbO₃ , gli autori hanno scoperto che forti onde di polarizzazione chiamate polaritoni emergono dal piccolo volume attraversato dall'impulso luminoso e si muovono per tutta la profondità rimanente del cristallo. Si ritiene che queste onde polaritone svolgano un ruolo significativo nell'alterare la polarizzazione ferroelettrica in tutte le sezioni del cristallo che non sono toccate dall'impulso luminoso.

I risultati riportati da Henstridge et al. aggiungi un nuovo entusiasmante pezzo all'elusivo puzzle della ferroelettricità ultraveloce, la cui comprensione può portare a nuovi componenti del dispositivo come interruttori ottici sostenibili. Più in generale, questo lavoro apre un'enorme domanda sul fatto che i sistemi passati e futuri guidati dalla fononica non lineare possano mostrare un tipo simile di carattere non locale. La capacità di manipolare le proprietà funzionali a distanza potrebbe espandere il regno delle possibilità di incorporare la fononica non lineare in dispositivi integrati e altri materiali complessi, aprendo nuove strade per il controllo dei sistemi con la luce. + Esplora ulteriormente

Cristallo fotonico non lineare tridimensionale naturale