אור אמצע אינפרא אדום מפחית את התנודות של סיבובים אוקטהדרליים ב-SrTiO3, ומאפשר לחומר להפוך למצב פרו-אלקטרי על ידי הסטת יון הטיטניום המרכזי למעלה או למטה. קרדיט: Jörg Harms, MPSD
פולסי לייזר אמצע אינפרא אדום וטרהרץ משמשים כמכשירים חזקים לשינוי המאפיינים של חומרים קוונטיים על ידי התאמה ספציפית של סריג הגביש שלהם. אינדוקציה של ברזליות ב-SrTiO3 כאשר נחשפים לאור אינפרא אדום בינוני הוא דוגמה משמעותית לתופעה זו. בתהליך זה, SrTiO3 עובר שינוי למצב שבו דיפולים חשמליים מיושרים באופן קבוע, מצב שלא נמצא במצבו הטבעי של שיווי משקל. התהליך המניע את השינוי המדהים הזה נותר בגדר תעלומה.
כעת, צוות חוקרים של מכון מקס פלנק למבנה ודינמיקה של החומר (MPSD) בגרמניה ומעבדת האצה הלאומית של SLAC בארצות הברית ביצע ניסוי בלייזר SwissFEL X-ray Free-Electron Laser כדי לזהות את אינטראקציות מהותיות הרלוונטיות ליצירת מצב זה. התובנה החדשה הושגה לא על ידי זיהוי מיקומם של האטומים, אלא על ידי מדידת התנודות של מיקומי האטומים הללו.
התוצאה מספקת עדות לכך שהתנודות הללו מצטמצמות, מה שעשוי להסביר מדוע המבנה הדו-קוטבי מסודר יותר מאשר בשיווי משקל, ומדוע ניתן לגרום למצב פרו-אלקטרי. העבודה של קבוצת Cavalleri הופיעה ב חומרי טבע.
הבנת חומרים פראואלקטריים
חומרים פרו-אלקטריים מאופיינים ביישור מקביל ספונטני של דיפולים חשמליים, המוביל לקיטוב מקרוסקופי שיכול להצביע בשני כיוונים מנוגדים. ניתן לשנות את כיוון ההצבעה על ידי שדה חשמלי, המאפשר שימוש בפרואלקטריות ברכיבי אחסון ועיבוד דיגיטליים של מכשירים אלקטרוניים מודרניים.
סטרונציום טיטנאט, SrTiO3, הוא מה שנקרא פארא-אלקטריק קוונטי. בניגוד לרבים מהחומרים הפרו-אלקטריים, SrTiO3 חסר מצב פרו-אלקטרי מקרוסקופי. עם זאת, עדויות ניסויות רבות מראות שתנודות קוונטיות של סריג הגביש מונעות מהסדר לטווח ארוך להתפתח. באופן מפתיע, בשנת 2019 קבוצת Cavalleri מצאה כי SrTiO3 הופך לפרו-אלקטרי כאשר תנודות מסוימות של סריג הגביש מתרגשות על ידי פולסים עזים באינפרא אדום האמצעי. ניתן לדמיין את השימוש באור כדי להשרה ולשלוט ברזליות בתדרים גבוהים שאינם נגישים אלקטרונית כמרכיב המפתח של יישומי זיכרון עתידיים במהירות גבוהה.
ניסוי וממצאים
בזמנו, התגובה הלא ליניארית של סריג הגביש הייתה המקור להשפעה זו, וכתוצאה מכך היווצרות מתח שעוזר לחומר להפוך לפרו-אלקטרי. עם זאת, חסרו מדידות ישירות של המתח, וחשוב מכך, של התנודות של מיקומי האטומים בלוחות הזמנים המוקדמים ביותר לאחר עירור אמצע ה-IR.
החוקרים התחברו לקבוצתו של מריאנו טריגו ב-SLAC ושילבו את עירור האינפרא אדום האמצעי עם פולסי קרני רנטגן של פמט-שנייה מלייזר האלקטרון החופשי SwissFEL כדי להאיר אור על הדינמיקה הזו, המתרחשת בסולם זמן של תת-פיקושניות – קצרה מ- טריליון השנייה. "בניסוי עקיפה טיפוסי של קרני רנטגן, משתמשים בהפרעות הקונסטרוקטיביות של קרני הרנטגן המפוזרות מהאטומים המיושרים מעת לעת כדי למדוד את מיקומם הממוצע", אומר מייקל פורסט, אחד הכותבים המובילים של עבודה זו. "אבל כאן, זיהינו את הפיזור המפוזר הנובע מאי-סדר בסידור האטומי שרגיש לתנודות, במילים אחרות רעש, של סריג הגביש".
בניסוי, הצוות מצא כי התנודות של מצבי סיבוב מסוימים ב-SrTiO3 סריג, אשר חוסם את היווצרות של בר-חשמליות לטווח ארוך, הופחת במהירות על ידי עירור אמצע אינפרא אדום פועם. דיכוי כזה אינו מתרחש בחומר זה בשיווי משקל ומרמז על מקור ה-ferro-elektricity המושרה על ידי אור. זה אושר על ידי ניתוח תיאורטי קפדני שחשף אינטראקציות מורכבות מסדר גבוה בין קבוצה של תנודות סריג לבין המתח כמקור התצפיות הללו. מייקל פכנר, התיאורטיקן של פרויקט זה, מדגיש את חשיבות שיתוף הפעולה בין תיאוריה לניסוי: "זה מאפשר לנו לחדד את הכלים שלנו לחיזוי, וכתוצאה מכך, לשפר את ההבנה שלנו של החומר והאינטראקציות שלו עם האור."
השלכות וצפי עתידי
אנדריאה קוואלרי, מנהיגת קבוצה ומנהלת ב-MPSD, צופה הזדמנויות חדשות הנובעות ממחקר זה: "העובדה שניתן לדכא תנודות מסוימות של סריג, המונעות היווצרות של סדר ברזל ארוך טווח, באמצעים דינמיים היא חדשה ומציעה אפשרויות עבור התנהגות דומה בחומרים קוונטיים אחרים. יתרה מזאת, מכיוון שהמחקרים הקבוצתיים שלנו גרמו לסדר במסגרות אחרות, כולל מוליכות מגנטית ומוליכות-על, לתוצאות הנדונות כאן עשויות להיות השלכות רחבות יותר מעבר לפיזיקה של SrTiO3."
המחקר ב-MPSD קיבל תמיכה כספית מה- Deutsche Forschungsgemeinschaft באמצעות Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter. ה-MPSD Matter הוא חבר במרכז למדעי הלייזר האלקטרוני החופשי (CFEL), מיזם משותף עם DESY ואוניברסיטת המבורג.
