L'excitation intense dans l'infrarouge moyen a été démontrée comme un outil puissant pour contrôler les propriétés magnétiques, ferroélectriques et supraconductrices de matériaux complexes. La phononique non linéaire est essentielle à cette fin, car elle éloigne des atomes spécifiques de leurs positions d'équilibre pour manipuler les interactions microscopiques. Jusqu'à présent, on pensait que cet effet ne se produisait que dans le volume optiquement excité. Des chercheurs de Hambourg ont découvert que l'inversion de polarisation dans le niobate de lithium ferroélectrique (LiNbO₃ ) se produit même dans des zones éloignées de la "coup" de lumière directe. Le phénomène jusqu'ici inconnu, appelé phononique non linéaire non locale, a été publié dans Nature Physics .

Matériaux ferroélectriques tels que LiNbO₃ possèdent une polarisation électrique statique générée par des lignes de charge positive et négative qui peuvent être commutées avec un champ électrique. Cette propriété unique fait de ces matériaux la pierre angulaire de nombreux composants électroniques modernes dans les smartphones, les ordinateurs portables et les appareils d'imagerie par ultrasons. L'utilisation de la lumière laser pour modifier la polarisation ferroélectrique est une nouvelle approche qui permet des processus extrêmement rapides qui constitueraient une étape clé dans le développement de commutateurs optiques ultrarapides hautement efficaces pour de nouveaux dispositifs.

Les chercheurs du groupe d'Andrea Cavalleri à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique (MPSD) ont utilisé des impulsions dans l'infrarouge moyen pour exciter la surface d'un LiNbO₃ cristal, lançant une forte vibration dans une région qui s'étend sur une profondeur de 3 micromètres à partir de la surface du cristal. Ensuite, ils ont utilisé une technique appelée diffusion Raman stimulée femtoseconde pour mesurer les changements ultrarapides de la polarisation ferroélectrique sur toute l'épaisseur du cristal de 50 micromètres. Les mesures ont révélé que des impulsions lumineuses à très haute densité d'énergie provoquent l'inversion de la polarisation ferroélectrique dans tout le cristal. En utilisant des méthodes de calcul pour simuler les effets de la phononique non linéaire dans LiNbO₃ , les auteurs ont découvert que de fortes ondes de polarisation appelées polaritons émergent du petit volume traversé par l'impulsion lumineuse et se déplacent dans toute la profondeur restante du cristal. On pense que ces ondes de polariton jouent un rôle important dans la modification de la polarisation ferroélectrique dans toutes les sections du cristal qui ne sont pas touchées par l'impulsion lumineuse.

Les résultats rapportés par Henstridge et al. ajouter une nouvelle pièce passionnante au puzzle insaisissable de la ferroélectricité ultrarapide, dont la compréhension peut conduire à de nouveaux composants de dispositifs tels que des commutateurs optiques durables. Plus largement, ce travail ouvre une énorme question quant à savoir si les systèmes passés et futurs pilotés par la phononique non linéaire peuvent présenter un type similaire de caractère non local. La capacité de manipuler les propriétés fonctionnelles à distance pourrait élargir le domaine des possibilités d'incorporation de phononiques non linéaires dans des dispositifs intégrés et d'autres matériaux complexes, ouvrant de nouvelles voies pour contrôler les systèmes avec la lumière. + Explorer plus loin

Cristal photonique non linéaire tridimensionnel naturel