(a) Densité électronique stationnaire dans le plan gris illustré à la figure 1. (b) Modification de la densité électronique à un temps de retard de 2,8 picosecondes (ps) après excitation des cristallites de sulfate d'ammonium. Les cercles marquent les positions atomiques, les flèches noires indiquent le transfert de charge électronique entre l'un des atomes d'oxygène et le groupe SO3 d'un seul ion sulfate. Les déplacements vibrationnels des atomes sont inférieurs à l'épaisseur de la ligne des cercles et, Donc, invisible sur cette échelle de longueur. (c) Le transfert de charge inverse se produit à un temps de retard de 3,9 ps. Crédit :MBI Berlin
Les cristaux ferroélectriques présentent une polarisation électrique macroscopique, une superposition de nombreux dipôles à l'échelle atomique qui proviennent d'électrons et de noyaux atomiques séparés dans l'espace. La polarisation macroscopique devrait changer lorsque les atomes sont mis en mouvement, mais le lien entre la polarisation et les mouvements atomiques est resté inconnu. Une expérience aux rayons X résolue en temps a révélé que de minuscules vibrations atomiques déplacent les charges négatives sur une distance 1000 fois plus grande entre les atomes et modifient la polarisation macroscopique sur une échelle de temps d'un millionième de millionième de seconde.
Les matériaux ferroélectriques ont des applications dans les capteurs électroniques, mémoire et dispositifs de commutation. Dans ce contexte, vite, des changements contrôlés de leurs propriétés électriques sont essentiels pour mettre en œuvre efficacement des fonctions spécifiques. Cela appelle à comprendre le lien entre la structure atomique et les propriétés électriques macroscopiques, incluant les mécanismes physiques régissant la dynamique la plus rapide possible des polarisations électriques macroscopiques.
Des chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin ont maintenant démontré comment les vibrations atomiques modulent la polarisation électrique macroscopique du prototype de sulfate d'ammonium ferroélectrique [Fig. 1] sur une échelle de temps de quelques picosecondes (1 picoseconde (ps) =1 millionième de millionième de seconde). Dans le numéro actuel de la revue Dynamique structurelle , ils rapportent une expérience aux rayons X ultrarapide qui permet de cartographier le mouvement des charges sur des distances de l'ordre du diamètre d'un atome (10 -dix m =100 picomètres) de manière quantitative. Dans les mesures, une impulsion d'excitation ultracourte fixe les atomes du matériau, une poudre de petits cristallites, en vibrations. Une impulsion de rayons X durs retardée est diffractée de l'échantillon excité et mesure l'arrangement atomique momentané sous la forme d'un diagramme de diffraction des rayons X sur poudre. La séquence de ces instantanés représente un film de la carte dite de densité électronique à partir de laquelle la distribution spatiale des électrons et des vibrations atomiques est dérivée pour chaque instant dans le temps ([Fig. 2]).
Le panneau supérieur montre un changement de la longueur de la liaison S-O en fonction du temps de retard. Le changement maximum de 0,1 pm est 1000 fois plus petit que la longueur de liaison elle-même, c'est à dire., les mouvements atomiques ne peuvent pas être observés sur la figure 2. Panneau du milieu :transfert de charge d'un atome d'oxygène au groupe SO3 de l'ion sulfate (flèches noires à gauche sur la figure 2) en fonction du temps de retard. Panneau inférieur :Changement de la polarisation macroscopique P le long de l'axe c qui est la somme de tous les changements de dipôle microscopiques des dipôles S-O locaux dans les ions sulfhate (flèches rouges et bleues sur la figure 1 en bas à droite). Crédit :MBI Berlin
Les cartes de densité électronique montrent que les électrons se déplacent sur des distances de 10 -dix m entre des atomes qui sont plus de mille fois plus grands que leurs déplacements au cours des vibrations [Fig. 3]. Ce comportement est dû à l'interaction complexe des champs électriques locaux avec les nuages d'électrons polarisables autour des atomes et détermine le dipôle électrique momentané à l'échelle atomique. En appliquant un nouveau concept théorique, la distribution de charge dépendante du temps dans le monde atomique est liée à la polarisation électrique macroscopique [Fig. 3]. Ce dernier est fortement modulé par les minuscules vibrations atomiques et inverse complètement son signe dans le temps avec les mouvements atomiques. La fréquence de modulation de 300 GHz est fixée par la fréquence des vibrations atomiques et correspond à une inversion complète de la polarisation microscopique en 1,5 ps, beaucoup plus rapide que n'importe quel dispositif de commutation ferroélectrique existant. A la surface d'un cristallite, la polarisation électrique maximale génère un champ électrique d'environ 700 millions de volts par mètre.
Il s'agit d'un réseau cristallin de sulfate d'ammonium ferroélectrique [(NH4)2SO4] avec des tétraèdres d'ammonium (NH4+) inclinés (azote :bleu, hydrogène :blanc) et tétraèdres sulfatés (SO42-) (soufre :jaune, oxygène :rouge). La flèche verte indique la direction de la polarisation macroscopique P. Flèches bleues :dipôles locaux entre les atomes de soufre et d'oxygène. Les cartes de densité électronique affichées dans le panneau en bas à gauche, dans la figure 2, et le film sont pris dans l'avion indiqué en gris. En bas à gauche :Densité électronique stationnaire des atomes de soufre et d'oxygène, affichant des valeurs élevées sur le soufre (rouge) et des valeurs plus faibles sur les oxygènes (jaune). En bas à droite :Changement des dipôles locaux à un temps de retard de 2,8 picosecondes (ps) après excitation des cristallites de sulfate d'ammonium. Un déplacement de charge anisotrope réduit le dipôle pointant vers la droite et augmente les 3 autres dipôles. Crédit :MBI Berlin
Les résultats établissent la diffraction des rayons X ultrarapide résolue en temps comme méthode pour lier la dynamique de charge à l'échelle atomique aux propriétés électriques macroscopiques. Cette nouvelle stratégie permet de tester des calculs quantiques de propriétés électriques et de caractériser une large classe de matériaux polaires et/ou ioniques au vu de leur potentiel pour l'électronique à grande vitesse.
