扭动开关晶体的极化原子

扭动开关晶体的极化原子

铁电晶体显示宏观的电极化,在原子尺度上的许多偶极子的叠加,源于空间上分离的电子和原子核。当原子运动时,宏观极化预计会发生变化,但偏振和原子运动之间的联系仍然未知。一个时间分辨的X射线实验现在阐明了微小的原子振动将负电荷转移到原子之间的1000倍大的距离上,并在第一百万秒的第一百万的时间尺度上改变宏观极化;

铁电材料在电子传感器、存储器和开关器件中的应用受到了广泛的关注。在这种情况下,快速和受控的电性能变化对于有效实现特定功能是必不可少的。这需要了解原子结构与宏观电性能之间的联系,包括治理的宏观电极化的尽可能快的动力学的物理机制。

研究人员从玻恩学院在柏林已经证明了原子振动对原型铁电硫酸铵[图1 ]在几皮秒的时间尺度的宏观极化(1皮秒(ps)= 1第一百万第二第一百万)。 在杂志结构动力学[ 5, 024501目前的问题(2018)],他们报告的超快X射线实验允许映射在一个原子的直径距离为电荷的运动(10-10 m = 100皮米)中的定量方法。在测量中,一个超短的激发脉冲将材料的原子,一个小晶粒的粉末,放入振动中。一个延迟的硬X射线脉冲从激发样品衍射,并用X射线粉末衍射图样测量瞬时原子排列。这种快照的序列代表了所谓的电子密度图的电影,从中,电子和原子振动的空间分布从每一瞬间得到(图2,[电影])。

扭动开关晶体的极化原子

电子密度图显示,电子移动在10-10 M原子的一千倍大于它们的位移振动[图3中之间的距离]。这种行为是由于与周围原子的极化电子云的局部电场的复杂的相互影响和决定的瞬间电偶极子在原子尺度。应用一种新的理论概念,原子世界中的时间依赖性电荷分布与宏观电极化有关[图3 ]。后者受微小原子振动的强烈调制,并随原子运动完全反转其符号。300千兆赫的调制频率是由原子振动的频率设定的,对应于1.5 ps内的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,最大电极化产生约7亿伏特每米的电场。

结果建立了时间分辨超快X射线衍射法,将原子尺度电荷动力学与宏观电学性质联系起来。这种新的策略允许测试量子力学计算的电性能和表征一大类的极性和/或离子材料,鉴于其潜在的高速电子产品。

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