Objevem nanorozměrových atomárních vírů vyvolaných stimulací elektrickým polem se otevírají nové možnosti pro zpracování dat v ultravysoké rychlosti a hustotě. Vědci z Fyzikálního ústavu se podíleli na studii odhalující způsob, jak polarizační víry reagují na THz pulzy v nanometrickém měřítku. Ta vyšla v dubnu v časopisu Nature.
Studie věnuje pozornost dynamickým aspektům feroelektrických supermřížek. Pomocí terahertzové excitace a femtosekundových měření rentgenové difrakce výzkumníci pozorovali ultrarychlou kolektivní dynamiku polarizačních vírů.
Experiment a výpočty uskutečnil český tým v rámci široké spolupráce s Argonne National Laboratory, Pennsylvania State University, University of California, Berkeley a dalšími americkými institucemi.
„Atomární obraz pozorovaných excitací umožnila především unikátní metodika výpočtu mřížkové dynamiky na základě interatomárních potenciálů, kterou ve FZU vyvinul Dr. Marek Pasciak,” říká vedoucí projektu, Ing. Jiří Hlinka. „Konkrétně se mu podařilo identifikovat příčnou oscilaci celých polarizačních vírů jako nejkoherentnější a nejcitlivější excitaci v sub-THz frekvenčním pásmu vůči elektrickému poli,” doplňuje jejich kolegyně Dr. Christelle Kadlec, která studovala interakci supermřížky s THz zářením experimentálně.
Polarizační dynamika ve „vortexonovém“ režimu supermřížky PbTiO3/SrTiO3. Každá šipka představuje polarizaci jedné perovskitové buňky (vzdálenost mezi sousedními šipkami je ~4 Å). Nahoře a dole jsou vrstvy nepolárního SrTiO3 o tloušťce 8 buněk, uprostřed je „hostitelská“ vrstva PbTiO3 víru o tloušťce 16 buněk. Animace je výsledkem výpočtu dynamiky atomové mřížky s prvoprincipovými interatomárními potenciály.
Experiment i výpočty dokazují, že frekvence této oscilace je laditelná pomocí teploty či volbou vhodného substrátu a THz pulzy mohou vyvolat polarizační víry v nanometrickém měřítku, což otevírá možnosti pro elektrickým polem řízené zpracování dat v topologických strukturách s ultavysokou rychlostí a hustotou.
Základem jsou atomární posuny
Elektrická polarizace charakterizuje stav hmoty, v němž se těžiště kladně a záporně nabitých částic posouvají vůči sobě navzájem. Tento relativní posun lze vyjádřit jako vektor. V řadě krystalických materiálů lze takový polarizační vektor definovat v nanometrickém měřítku elementární buňky, která se periodicky opakuje v celé struktuře. V takovém případě stejný vektor charakterizuje mikro i makro měřítka. To platí i pro feroeletrické materiály, v nichž polarizace reaguje na elektrické pole, které dokáže vyvolat či přeorientovat přemístění iontů v krystalu. A protože vše vychází z atomárních posunů, je mechanické zatížení materiálu spjato i s dielektrickou polarizací, což vedlo k několika praktickým aplikacím, např. piezoelektrickým spouštěčům či převodníkům.
V některých případech mikro a makro měřítka totožná nejsou. Například v antiferoelektrických materiálech, kdy je velikost a směr elektrické polarizace v sousedících oblastech opačná, se polarizace v makroskopickém měřítku v průměru vynuluje. Složitější polarizační topologie byly předpovězeny teoreticky a v nedávné době byly realizovány v syntetických materiálech. V takzvaných supermřížkách, v nichž jsou vrstvy feroelektrického materiálu PbTiO3 odděleny vrstvami běžného dielektrika SrTiO3, byla úspěšně vytvořena speciální struktura nanorozměrových polarizačních vírů.
Citace: Li, Q., Stoica, V.A., Paściak, M. et al. Subterahertz collective dynamics of polar vortices. Nature 592, 376–380 (2021).