La lumière peut être utilisée non seulement pour mesurer les propriétés des matériaux, mais aussi de les changer. Particulièrement intéressants sont les cas dans lesquels la fonction d'un matériau peut être modifiée, comme sa capacité à conduire l'électricité ou à stocker des informations dans son état magnétique. Une équipe dirigée par Andrea Cavalleri de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg a utilisé des impulsions lumineuses de fréquence térahertz pour transformer un matériau non ferroélectrique en un matériau ferroélectrique.

La ferroélectricité est un état dans lequel le réseau constitutif est polarisé dans une direction spécifique, formant une polarisation électrique macroscopique. La capacité d'inverser la polarisation rend les matériaux ferroélectriques particulièrement adaptés au codage et au traitement d'informations numériques. La découverte d'un ferroélectrique induit par la lumière est très pertinente pour une nouvelle génération de dispositifs à grande vitesse, et est présenté aujourd'hui dans la revue Science .

Les matériaux complexes sont spéciaux car leurs propriétés macroscopiques inhabituelles sont déterminées par de nombreuses tendances concurrentes. Contrairement aux composés plus conventionnels, comme les cristaux de silicium qui composent les appareils électroniques actuels, dans les matériaux complexes, on constate que plus d'un type d'interaction microscopique favorise plus d'une phase macroscopique possible.

Une telle concurrence conduit alors à un compromis, mais qui n'est pas unique et est souvent en équilibre précaire. D'où, perturbations modérées, par exemple irradier un tel matériau avec de la lumière, peut induire des changements radicaux dans les propriétés du solide.

Les impulsions laser térahertz ultra-courtes sont particulièrement utiles car elles se couplent directement au réseau cristallin et peuvent déformer les arrangements atomiques à grande vitesse. Il a été démontré dans le passé que l'excitation cohérente des vibrations du réseau provoque des changements de propriétés électriques ou d'arrangements magnétiques dans un certain nombre de matériaux complexes, y compris les supraconducteurs.

Dans leurs dernières recherches, les scientifiques décrivent comment ils ont induit un ordre ferroélectrique dans un matériau, une propriété des solides qui peut être très pertinente pour les applications. La ferroélectricité décrit l'alignement spontané des dipôles électriques, ce qui conduit à une polarisation macroscopique proche de l'aimantation dans un ferromagnétique. Généralement, la ferroélectricité n'existe que dans une classe limitée de matériaux; cependant, le groupe de Hambourg a découvert que même les matériaux non ferroélectriques peuvent être forcés dans une phase ferroélectrique par la lumière.

Le titanate de strontium (STO) est paraélectrique à toutes les températures et un ordre ferroélectrique à longue portée ne se développe jamais. Lors de vibrations excitantes dans STO par la lumière, les chercheurs ont observé des caractéristiques dans ses réponses optiques et électriques typiques de la ferroélectricité. L'origine de cet effet surprenant réside dans la nature non linéaire du réseau cristallin. Le phonon entraîné délivre une partie de son énergie sous forme de pression au solide, résultant en une déformation structurelle variant dans l'espace dans la zone excitée. Dans ces conditions, une propriété matérielle appelée flexoélectricité peut être activée, résultant en une polarisation macroscopique. Étonnamment, l'état photo-induit s'est avéré survivre pendant des heures après avoir été créé, montrant que le matériau est passé à une nouvelle phase quasi-stable.

« La capacité d'induire et de contrôler des états ferroélectriques avec de la lumière sur des échelles de temps ultrarapides pourrait constituer la base des technologies de nouvelle génération », dit Tobia Nova, premier auteur de l'article. Les matériaux ferroélectriques sont déjà au cœur des dispositifs en développement, qui exploitent leur polarisation spontanée pour fabriquer des puces mémoire stables ou des ordinateurs "toujours allumés". Parce que la phase ferroélectrique induite par la lumière démontrée dans l'expérience de Hambourg fonctionne à des fréquences térahertz, des dispositifs électro-optiques fonctionnant à des vitesses aussi élevées pourraient être envisagés. De plus, puisque la flexoélectricité est une propriété matérielle commune, la capacité à induire des polarisations flexoélectriques ultrarapides s'étend bien au-delà de l'exemple spécifique de STO. Dernièrement, parce que STO est couramment utilisé comme substrat dans des hétérostructures complexes, l'accès optique aux polarisations flexoélectriques devrait trouver des applications étendues dans la manipulation de phénomènes collectifs aux interfaces.