En haut :Réseau cristallin de sulfate d'ammonium ferroélectrique [(NH4)2SO4] avec ammonium incliné (NH4+ tétraèdres (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 montrées dans le panneau en bas à gauche et le film sont pris dans le plan surligné en gris. En bas à gauche :Densité électronique stationnaire avec une valeur élevée sur le soufre (rouge) et des valeurs plus faibles sur les atomes d'oxygène (jaune). En bas à droite :Changement des dipôles locaux à un temps de retard de 2,8 picosecondes (ps) après excitation de l'échantillon 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
Des expériences aux rayons X femtosecondes combinées à une nouvelle approche théorique établissent un lien direct entre les propriétés électriques dans le monde macroscopique et les mouvements des électrons à l'échelle de temps et de longueur des atomes. Les résultats ouvrent une nouvelle voie pour comprendre et adapter les propriétés des matériaux ferroélectriques.
Les phénomènes du monde macroscopique sont décrits par la physique classique tandis que les processus aux échelles de longueur et de temps atomiques sont régis par les lois de la mécanique quantique. Le lien entre les grandeurs physiques microscopiques et macroscopiques est loin d'être trivial et en partie inexpliqué.
La polarisation électrique est une grandeur macroscopique qui décrit le moment dipolaire de la matière. La polarisation provient de la distribution particulière des électrons à l'échelle atomique dans les matériaux polaires et ioniques, parmi eux la classe la plus intéressante de ferroélectriques. Leur polarisation électrique spontanée est largement appliquée dans les capteurs électroniques, souvenirs, et appareils de commutation. Le lien entre les polarisations, en particulier celles dépendantes du temps, et les densités d'électrons microscopiques sont importantes pour comprendre et adapter les propriétés des ferroélectriques.
Basé sur une nouvelle approche expérimentale et théorique, des scientifiques de l'Institut Max Born ont maintenant établi un lien quantitatif direct entre les polarisations électriques macroscopiques et les densités d'électrons microscopiques dépendantes du temps. Comme ils rapportent dans Examen physique B , les mouvements atomiques dans les ferroélectriques sont lancés par excitation optique et modulent la distribution des électrons sur une échelle de temps femtoseconde (1 fs =10 -15 secondes). La dynamique résultante de la densité électronique est cartographiée par diffraction de poudre aux rayons X résolue en temps. De telles données permettent de générer des cartes de densité électronique résolues temporellement et spatialement à partir desquelles la polarisation macroscopique momentanée est dérivée à l'aide d'un nouveau concept théorique. Le potentiel de la méthode est démontré avec deux prototypes de matériaux ferroélectriques.
