Forschung & Entwicklung

Lichtinduzierte Ferroelektrizität in Strontiumtitanat

Mit Licht lassen sich Materialeigenschaften nicht nur messen, sondern auch verändern. Mithilfe von Lichtimpulsen im Terahertzbereich lässt sich nun ein nicht ferroelektrisches Material in ein ferroelektrisches umwandeln.

Ferroelektrizität ist ein Zustand, in dem die Atome im Kristallgitter eine bestimmte Richtung aufzeigen und dadurch eine makroskopische elektrische Polarisation ausbilden. Durch die Fähigkeit, diese Polarisation umzukehren, sind ferroelektrische Materialien besonders für die digitale Informationskodierung und -verarbeitung geeignet. Die Entdeckung der lichtinduzierten Ferroelektrizität ist für eine neue Generation von Hochgeschwindigkeitsgeräten von großer Relevanz.

Im Gegensatz zu Materialien wie dem Silizium, aus denen heutzutage die meisten elektronischen Schaltkreise bestehen, können komplexe Materialien viele verschiedene makroskopische Phasen und Eigenschaften aufweisen, die durch vielfältige mikroskopische Wechselwirkungen erzeugt werden. Ein Konkurrenzkampf zwischen den Wechselwirkungen führt dann zu einem Kompromiss der verschiedenen Phasen und Eigenschaften, der jedoch nicht einzigartig ist und sich oft in einem nicht stabilen Gleichgewicht befindet. Daher können leichte Störungen, wie zum Beispiel die Bestrahlung eines solchen Materials mit Licht, deutliche Veränderungen der Eigenschaften des Festkörpers hervorrufen. Ultrakurze Terahertzlaserpulse sind dabei besonders geeignet, da sie direkt mit dem Kristallgitter wechselwirken und dabei die atomaren Anordnungen innerhalb von kürzester Zeit verändern. Diese Art der kohärenten Anregung von Gitterschwingungen hat sich in der Vergangenheit als eine geeignete Methode für die Manipulationen der elektrischen Eigenschaften oder magnetischen Anordnungen in einer Reihe von komplexen Materialien, einschließlich Supraleitern, erwiesen.

In einer Studie beschreiben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, wie sie eine ferroelektrische Ordnung in einem Material induzieren, eine Eigenschaft von Festkörpern, die für technische Anwendungen relevant ist. Ferroelektrizität beschreibt die spontane Ausrichtung von elektrischen Dipolen, die zu einer makroskopischen Polarisation ähnlich der Magnetisierung in einem Ferromagneten führt. Im Allgemeinen tritt Ferroelektrizität nur in einigen speziellen Materialien auf; die Hamburger Gruppe hat jedoch entdeckt, dass auch nicht ferroelektrische Materialien durch Licht in eine ferroelektrische Phase gezwungen werden können.

Strontiumtitanat ist bei allen Temperaturen paraelektrisch und bildet keine ferroelektrische Ordnung aus. Nach der Anregung von Gitterschwingungen in Strontiumtitanat mithilfe von Lichtpulsen beobachteten die Forscher aber optische und elektrische Eigenschaften, die für die Ferroelektrizität typisch sind. Der Ursprung dieses unerwarteten Effekts liegt in der nicht linearen Natur des Kristallgitters. Das angeregte Phonon gibt einen Teil seiner Energie in Form von Druck an den Festkörper ab, was zu einer räumlich variierenden Strukturverformung innerhalb des angeregten Bereichs führt.

Unter diesen Bedingungen wird eine Materialeigenschaft namens Flexoelektrizität angeregt, die eine makroskopische Polarisation erzeugt. Auffallend ist, dass der lichtinduzierte Zustand stundenlang nach seiner Entstehung weiterbesteht – ein Beweis, dass das Material in eine neue quasi stabile Phase übergeht.

„Die Fähigkeit, ferroelektrische Zustände mit Licht in kürzester Zeit zu induzieren und zu steuern, könnte die Grundlage für Technologien der nächsten Generation bilden“, sagt Tobia Nova. Ferroelektrische Materialien sind bereits das Herzstück von verschiedenen technischen Entwicklungen, die ihre spontane elektrische Polarisation nutzen, um stabile Speicherchips oder ‚always on‘ Computer herzustellen.

Da die im Hamburger Experiment demonstrierte lichtinduzierte ferroelektrische Phase durch Terahertzpulse erzeugt wird, sind elektrooptische Geräte denkbar, die bei solch hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Da Flexoelektrizität eine verbreitete Materialeigenschaft ist, geht die Möglichkeit, ultraschnelle flexoelektrische Polarisationen zu induzieren, weit über das spezifische Beispiel von Strontiumtitanat hinaus.

Darüber hinaus ist Strontiumtitanat ein häufig genutztes Substrat zur Herstellung komplexer Heterostrukturen. Daher kann der optische Zugang zu flexoelektrischen Polarisationen auch umfangreiche Anwendungen in der Manipulation von kollektiven Phänomenen an Heterostrukturen und Grenzflächen finden.

Möglich wurde diese Arbeit durch den ERC-Synergiezuschuss ‚Frontiers in Quantum Materials' Control‘ (Q-MAC) und das Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI). Das Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist ein Gemeinschaftsunternehmen von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. F. Nova, A. S. Disa, M. Fechner, A. Cavalleri, Metastable ferroelectricity in optically strained SrTiO3, Science 364 (2019), DOI: 10.1126/science.aaw4911]

www.mpsd.mpg.de

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