Los cristales ferroeléctricos muestran una polarización eléctrica macroscópica, una superposición de muchos dipolos a escala atómica que se originan a partir de electrones y núcleos atómicos separados espacialmente. Se espera que la polarización macroscópica cambie cuando los átomos se ponen en movimiento pero la conexión entre polarización y atómicalos movimientos han permanecido desconocidos. Un experimento de rayos X resuelto en el tiempo ahora aclara que pequeñas vibraciones atómicas desplazan las cargas negativas en una distancia 1000 veces mayor entre los átomos y cambian la polarización macroscópica en una escala de tiempo de una millonésima de una millonésima de segundo.
Los materiales ferroeléctricos han recibido un gran interés por las aplicaciones en sensores electrónicos, memorias y dispositivos de conmutación. En este contexto, los cambios rápidos y controlados de sus propiedades eléctricas son esenciales para implementar funciones específicas de manera eficiente. Esto requiere comprender la conexión entre la estructura atómica ypropiedades eléctricas macroscópicas, incluidos los mecanismos físicos que rigen la dinámica más rápida posible de polarizaciones eléctricas macroscópicas.
Investigadores del Instituto Max Born en Berlín ahora han demostrado cómo las vibraciones atómicas modulan la polarización eléctrica macroscópica del prototipo de sulfato de amonio ferroeléctrico en una escala de tiempo de unos pocos picosegundos 1 picosegundo ps = 1 millonésima de millonésima de segundo. En la edición actual de la revista Dinámica estructural , informan un experimento de rayos X ultrarrápido que permite mapear el movimiento de las cargas a distancias del orden del diámetro de un átomo 10 a la potencia de menos 10 m = 100 picómetros de forma cuantitativa.En las mediciones, un pulso de excitación ultracorto hace vibrar los átomos del material, un polvo de pequeños cristalitos. Un pulso de rayos X duro con retardo de tiempo se difracta de la muestra excitada y mide la disposición atómica momentánea en forma de rayos Xpatrón de difracción de polvo. La secuencia de tales instantáneas representa una película del llamado mapa de densidad electrónica a partir del cual se deriva la distribución espacial de electrones y vibraciones atómicas para cada instante en el tiempo.
Los mapas de densidad de electrones muestran que los electrones se mueven en distancias de 10 a la potencia de menos 10 m entre átomos que son más de mil veces más grandes que sus desplazamientos durante las vibraciones. Este comportamiento se debe a la compleja interacción de los campos eléctricos locales.con las nubes de electrones polarizables alrededor de los átomos y determina el dipolo eléctrico momentáneo a escala atómica. Aplicando un concepto teórico novedoso, la distribución de carga dependiente del tiempo en el mundo atómico está vinculada a la polarización eléctrica macroscópica. Esta última está fuertemente modulada por elvibraciones atómicas diminutas e invierte completamente su señal en el tiempo con los movimientos atómicos. La frecuencia de modulación de 300 GHz se establece por la frecuencia de las vibraciones atómicas y corresponde a una inversión completa de la polarización microscópica dentro de 1.5 ps, mucho más rápido que cualquier ferroeléctrico existentedispositivo de conmutación En la superficie de un cristalito, la polarización eléctrica máxima genera un campo eléctrico de apaproximadamente 700 millones de voltios por metro.
Los resultados establecen la difracción de rayos X ultrarrápida resuelta en el tiempo como un método para vincular la dinámica de carga a escala atómica con las propiedades eléctricas macroscópicas. Esta novedosa estrategia permite probar los cálculos cuántico-mecánicos de las propiedades eléctricas y caracterizar una gran clase de polar y/ o materiales iónicos en vista de su potencial para la electrónica de alta velocidad.
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Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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