超快光诱导极化控制：弛豫铁电体的新前沿

来自 实验室仪器网

铁电材料之所以不同寻常，是因为它们有电正极和电负极，而且这两极可以通过电场切换。弛豫铁电体是一种特殊的铁电材料，其电气和机械性能大大增强。这些特性源于材料的畴结构。这些是极化方向一致的微观区域。了解这些材料特性变化的速度对于理解和使用它们至关重要。然而，科学家还无法测量这些材料的反应速度。这项研究表明，光可以在几万亿分之一秒内调节弛豫体畴内的电极化。研究人员使用原子级超快电子衍射测量了这一速度，以获得不断变化的畴结构的快照。该团队将这些测量结果与理论相结合，以了解光如何调节弛豫体结构。

弛豫器已经有许多应用：能量存储、传感器、换能器和执行器。它们的独特性质源于其众多微观极化域。快速控制这些域将解锁更多应用，而了解这些过程的工作原理将推动材料科学的发展。先前的研究表明，电场和/或温度可以旋转域中的极化，但所花费的时间从未被测量过。这项研究表明，旋转发生在皮秒（万亿分之一秒）的时间尺度上。这项研究还提出了一种在原子和纳米尺度上控制弛豫器域的新方法。

三个在材料合成、时间分辨实验和相场模拟方面具有专业知识的研究小组共同合作，研究了弛豫铁电体中的光诱导物理现象。他们研究了PMN-0.32PT，这是最值得注意的弛豫体之一。该项目使用了Linac相干光源(LCLS)的超快电子衍射(UED)设备。

研究人员使用飞秒（千万亿分之一秒）266nm激光触发光诱导响应，并用高能量100飞秒持续时间的电子束探测衍射图案。通过改变激光和电子束的延迟时间，他们以飞秒时间分辨率收集了结构的快照。他们发现特定衍射峰的强度发生了显著变化，从而可以推断出每个晶胞内发生的原子尺度运动。相场模拟用于了解光调制结构的机制和途径，表明光诱导的温度跃迁起着关键作用，并表明极化可以在幅度和方向上进行调制。这项研究为纳米级弛豫铁电体中极化的动态可重构控制开辟了新的机会。

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