摆动原子切换晶体的电极化

铁电晶体显示出宏观电极化，原子尺度上的许多偶极子的叠加，其源自空间上分离的电子和原子核。当原子开始运动时，预计宏观极化会发生变化，但极化和原子运动之间的联系仍然未知。时间分辨的X射线实验现在阐明微小的原子振动使负电荷在原子间的1000倍大的距离上移动，并在百万分之一秒的时间尺度上切换宏观极化。

铁电材料受到电子传感器，存储器和开关装置应用的强烈兴趣。在这种情况下，快速和受控的电气特性变化对于有效实施特定功能至关重要。这需要理解原子结构和宏观电性质之间的联系，包括控制宏观电极化最快可能动力学的物理机制。

来自柏林Max Born研究所的研究人员现在已经证明了原子振动如何在几皮秒(1皮秒(ps)=百万分之一秒的百万分之一秒)的时间尺度上调制原型铁电硫酸铵的宏观电极化。在最新一期的结构动力学期刊上他们报告了一种超快速的X射线实验，该实验允许以定量的方式将电荷的运动映射到原子直径(10到-10m = 100皮米的幂)的距离上。在测量中，超短激发脉冲将材料的原子(小微晶粉末)设置为振动。从激发的样品衍射延时的硬X射线脉冲，并以X射线粉末衍射图案的形式测量瞬时原子排列。这种快照的序列表示所谓的电子密度图的电影，从该电影中，每个瞬间导出电子和原子振动的空间分布。

电子密度图显示电子在10的距离内移动到原子间的负10米的功率，这比它们在振动期间的位移大一千倍。这种行为是由于局部电场与原子周围的可极化电子云的复杂相互作用，并决定了原子尺度上的瞬时电偶极子。应用一种新颖的理论概念，原子世界中与时间有关的电荷分布与宏观电极化有关。后者受到微小的原子振动的强烈调制，并完全逆转其与原子运动的时间符号。300 GHz的调制频率由原子振动的频率设定，对应于1.5 ps内微观极化的完全反转，比任何现有的铁电开关设备快得多。在微晶表面，最大电极化产生大约每秒7亿伏特的电场。

该结果建立了时间分辨超快X射线衍射，作为将原子级电荷动力学与宏观电性质联系起来的方法。这种新颖的策略允许测试电性能的量子力学计算，并且鉴于它们对高速电子器件的潜力，用于表征大类极性和/或离子材料。