短X射线脉冲揭示了SrTiO3中光感铁电的来源

发布时间：2024-02-04 17:17:24 栏目：生活

导读 中红外和太赫兹频率激光脉冲是通过对量子材料的晶体结构进行定制修改来操纵量子材料特性的强大工具。SrTiO3中的光致铁电性 是这些物理现象

中红外和太赫兹频率激光脉冲是通过对量子材料的晶体结构进行定制修改来操纵量子材料特性的强大工具。SrTiO3中的光致铁电性 是这些物理现象的显着证明。在中红外照明下，这种材料转变为永久有序的电偶极子状态，这在其平衡相图中不存在。这种转变背后的机制尚不清楚。现在，德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)和美国SLAC国家加速器实验室的研究小组在SwissFEL X射线自由电子激光器上进行了一项实验，以识别与创建这种状态相关的内在相互作用。新的见解不是通过检测原子的位置获得的，而是通过测量这些原子位置的波动获得的。结果提供了这些波动减少的证据，这可以解释为什么偶极结构比平衡状态更有序，以及为什么可以诱导铁电态。卡瓦莱里小组的研究成果发表在 《自然材料》杂志上。



铁电材料的特点是电偶极子自发平行排列，导致宏观极化可以指向两个相反的方向。指向方向可以通过电场切换，从而可以在现代电子设备的数字存储和处理组件中使用铁电体。

钛酸锶，SrTiO 3 ，是所谓的量子顺电体。与许多铁电材料不同，SrTiO 3 缺乏宏观铁电态。然而，大量的实验证据表明，晶格的量子涨落阻碍了长程有序的发展。令人惊讶的是，2019 年，Cavalleri 小组发现， 当中红外强脉冲激发晶格的某些振动时， SrTiO 3会转变为铁电体。使用光在电子无法访问的高频下感应和控制铁电性可以预见为未来高速存储器应用的关键要素。

当时，晶格的非线性响应被推测是这种效应的根源，导致形成有助于材料变成铁电体的应变。然而，缺乏对应变的直接测量，更重要的是，缺乏对中红外激发后最早时间尺度上原子位置波动的直接测量。

研究人员与SLAC的 Mariano Trigo 团队合作 ，将中红外激发与来自 SwissFEL 自由电子激光器的飞秒 X 射线脉冲相结合，以揭示这些动态，这些动态发生在亚皮秒时间尺度上——比皮秒时间短。万亿分之一秒。“在典型的 X 射线衍射实验中，人们利用周期性排列的原子散射的 X 射线的相长干涉来测量它们的平均位置，”这项工作的主要作者之一迈克尔·福斯特 (Michael Först) 说。“但在这里，我们检测到了由于原子排列无序而产生的漫散射，这种排列对晶格的波动(换句话说就是噪声)很敏感”。

通过实验，研究小组发现，SrTiO 3晶格中某些旋转模式的波动 会阻碍长程铁电性的形成，而脉冲中红外激发会迅速减少这种波动。这种抑制在平衡状态的材料中不会发生，这暗示了光诱导铁电性的起源。严格的理论分析证实了这一点，该分析揭示了一组晶格振动与作为这些观察来源的应变之间复杂的高阶相互作用。该项目的理论家迈克尔·费希纳(Michael Fechner)强调了理论与实验之间合作的重要性：“它使我们能够改进我们的预测工具，从而增强我们对物质及其与光相互作用的理解。”

MPSD 小组组长兼主任 Andrea Cavalleri 预见了这项研究带来的新机遇：“某些阻止长程铁序形成的晶格涨落可以通过动态手段抑制，这一事实是新的，并为以下方面提供了可能性：其他量子材料中的类似行为。此外，由于我们的小组研究在其他环境(包括磁性和超导)中诱导了有序性，因此这里讨论的结果可能具有超出 SrTiO 3物理性质的更广泛的影响”。