Un mando a distancia para materiales funcionales

Nueva pieza en el elusivo rompecabezas de la ferroelectricidad ultrarrápida

11.03.2022 - Alemania

Cuando los pulsos láser del infrarrojo medio inciden en ciertos materiales complejos, sus propiedades fundamentales pueden cambiar de forma sorprendente. Pueden volverse magnéticos, ferroeléctricos o empezar a transportar corrientes eléctricas sin ninguna resistencia. Un ingrediente clave de estos fenómenos es la excitación eficaz de los movimientos atómicos colectivos de los sólidos, conocidos como fonones. Normalmente, los átomos alineados periódicamente de la red cristalina vibran sólo alrededor de sus posiciones de equilibrio. Sin embargo, en el caso de campos de excitación muy intensos, lo harán con amplitudes colosales, con la consecuencia de desplazar ciertos átomos fuera de sus posiciones de equilibrio y cambiar así la funcionalidad electrónica o magnética. Este fenómeno se conoce como fonónica no lineal.

Hasta ahora, se pensaba que la fonónica no lineal sólo se producía dentro de la pequeña región del cristal en la que está presente el pulso de luz infrarroja media. Ahora, investigadores de Hamburgo han descubierto que la polarización ferroeléctrica del niobato de litio (LiNbO3) cambia incluso en zonas muy alejadas del "impacto" directo del pulso láser, y que la inversión de la polarización se produce en todo el cristal. El estudio del equipo sobre este fenómeno hasta ahora desconocido, denominado fonética no lineal no local, se ha publicado en Nature Physics.

© Jörg Harms, MPSD

Un intenso pulso láser en el infrarrojo medio incide en un cristal ferroeléctrico de LiNbO3 y provoca vibraciones atómicas sólo en una pequeña profundidad por debajo de la superficie, acentuada por los tetraedros brillantes. A través del acoplamiento anarmónico, esta fuerte vibración lanza una onda de polarización, también llamada polaritón, que se propaga por el resto de la profundidad del cristal para modular la polarización ferroeléctrica.

Los materiales ferroeléctricos como el LiNbO3 poseen una polarización eléctrica estática generada por líneas de carga positiva y negativa que pueden conmutarse con un campo eléctrico. Esta propiedad única convierte a estos materiales en el elemento básico de muchos componentes electrónicos modernos en teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles y dispositivos de imagen por ultrasonidos. El uso de la luz láser para cambiar la polarización ferroeléctrica es un nuevo enfoque que permite realizar procesos extremadamente rápidos, lo que supondría un paso clave en el desarrollo de interruptores ópticos ultrarrápidos de gran eficacia para nuevos dispositivos.

Los investigadores del grupo de Andrea Cavalleri en el Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica (MPSD) utilizaron pulsos de infrarrojo medio para excitar la superficie de un cristal de LiNbO3, lanzando una fuerte vibración a través de una región que abarca una profundidad de 3 micrómetros desde la superficie del cristal. A continuación, utilizaron una técnica denominada dispersión Raman estimulada de femtosegundos para medir los cambios ultrarrápidos de la polarización ferroeléctrica en todo el espesor del cristal de 50 micrómetros. Las mediciones revelaron que los pulsos de luz con una densidad de energía muy alta hacen que la polarización ferroeléctrica se invierta en todo el cristal. Utilizando métodos computacionales para simular los efectos de la fonónica no lineal en el LiNbO3, los autores descubrieron que en el pequeño volumen atravesado por el pulso de luz surgen fuertes ondas de polarización llamadas polaritones que se desplazan por el resto de la profundidad del cristal. Se cree que estas ondas de polaritones desempeñan un papel importante en la alteración de la polarización ferroeléctrica en todas las secciones del cristal que no son tocadas por el pulso de luz.

Los resultados presentados por Henstridge et al. añaden una nueva y emocionante pieza al esquivo rompecabezas de la ferroelectricidad ultrarrápida, cuya comprensión puede conducir a nuevos componentes de dispositivos como los interruptores ópticos sostenibles. En términos más generales, este trabajo abre un enorme interrogante sobre si los sistemas pasados y futuros impulsados por la fonónica no lineal pueden exhibir un tipo similar de carácter no local . La capacidad de manipular las propiedades funcionales a distancia podría ampliar el abanico de posibilidades para incorporar la fonónica no lineal en dispositivos integrados y otros materiales complejos, abriendo nuevas vías para controlar los sistemas con luz.

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