(a) Densidade estacionária do elétron no plano cinza mostrado na Fig. 1. (b) Mudança da densidade do elétron em um tempo de retardo de 2,8 picossegundos (ps) após a excitação dos cristalitos de sulfato de amônio. Os círculos marcam as posições atômicas, as setas pretas indicam a transferência de carga eletrônica entre um dos átomos de oxigênio e o grupo SO3 de um único íon sulfato. Os deslocamentos vibracionais dos átomos são menores do que a espessura da linha dos círculos e, portanto, invisível nesta escala de comprimento. (c) A transferência de carga reversa ocorre em um tempo de retardo de 3,9 ps. Crédito:MBI Berlin
Cristais ferroelétricos exibem uma polarização elétrica macroscópica, uma superposição de muitos dipolos na escala atômica que se originam de elétrons e núcleos atômicos separados espacialmente. Espera-se que a polarização macroscópica mude quando os átomos são colocados em movimento, mas a conexão entre a polarização e os movimentos atômicos permanece desconhecida. Um experimento de raios-X resolvido no tempo revelou que minúsculas vibrações atômicas deslocam cargas negativas em uma distância 1000 vezes maior entre os átomos e mudam a polarização macroscópica em uma escala de tempo de um milionésimo de um milionésimo de segundo.
Materiais ferroelétricos têm aplicações em sensores eletrônicos, memória e dispositivos de comutação. Nesse contexto, velozes, mudanças controladas de suas propriedades elétricas são essenciais para a implementação eficiente de funções específicas. Isso exige a compreensão da conexão entre a estrutura atômica e as propriedades elétricas macroscópicas, incluindo os mecanismos físicos que governam a dinâmica mais rápida possível de polarizações elétricas macroscópicas.
Pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim demonstraram agora como as vibrações atômicas modulam a polarização elétrica macroscópica do sulfato de amônio ferroelétrico protótipo [Fig. 1] em uma escala de tempo de alguns picossegundos (1 picossegundo (ps) =1 milionésimo de milionésimo de segundo). Na edição atual da revista Dinâmica Estrutural , eles relatam um experimento ultrarrápido de raios-X que permite mapear o movimento de cargas em distâncias da ordem do diâmetro de um átomo (10 -10 m =100 picômetros) de forma quantitativa. Nas medições, um pulso de excitação ultracurto define os átomos do material, um pó de pequenos cristalitos, em vibração. Um pulso de raio-X duro retardado é difratado da amostra excitada e mede o arranjo atômico momentâneo na forma de um padrão de difração de pó de raios-X. A sequência de tais instantâneos representa um filme do chamado mapa de densidade de elétrons, a partir do qual a distribuição espacial de elétrons e vibrações atômicas são derivadas para cada instante no tempo ([Fig. 2]).
O painel superior mostra uma mudança no comprimento da ligação S-O em função do tempo de retardo. A mudança máxima de 0,1 pm é 1000 vezes menor do que o comprimento da ligação em si, ou seja, os movimentos atômicos não podem ser observados na Fig. 2. Painel do meio:Transferência de carga de um átomo de oxigênio para o grupo SO3 do íon sulfato (setas pretas à esquerda na Fig. 2) em função do tempo de atraso. Painel inferior:Mudança da polarização macroscópica P ao longo do eixo c, que é a soma de todas as mudanças dipolo microscópicas dos dipolos S-O locais dentro dos íons sulfato (setas vermelhas e azuis na Fig. 1 inferior direita). Crédito:MBI Berlin
Os mapas de densidade de elétrons mostram que os elétrons se movem em distâncias de 10 -10 m entre átomos que são mais de mil vezes maiores do que seus deslocamentos durante as vibrações [Fig. 3]. Esse comportamento se deve à complexa interação dos campos elétricos locais com as nuvens de elétrons polarizáveis ao redor dos átomos e determina o dipolo elétrico momentâneo na escala atômica. Aplicando um novo conceito teórico, a distribuição de carga dependente do tempo no mundo atômico está ligada à polarização elétrica macroscópica [Fig. 3]. Este último é fortemente modulado pelas minúsculas vibrações atômicas e inverte totalmente seu sinal no tempo com os movimentos atômicos. A frequência de modulação de 300 GHz é definida pela frequência das vibrações atômicas e corresponde a uma reversão completa da polarização microscópica em 1,5 ps, muito mais rápido do que qualquer dispositivo de comutação ferroelétrico existente. Na superfície de um cristalito, a polarização elétrica máxima gera um campo elétrico de aproximadamente 700 milhões de volts por metro.
Esta é uma rede cristalina de sulfato de amônio ferroelétrico [(NH4) 2SO4] com tetraedro de amônio inclinado (NH4 +) (nitrogênio:azul, hidrogênio:branco) e sulfato (SO42-) tetraedro (enxofre:amarelo, oxigênio:vermelho). A seta verde mostra a direção da polarização macroscópica P. Setas azuis:dipolos locais entre os átomos de enxofre e oxigênio. Os mapas de densidade de elétrons mostrados no painel esquerdo inferior, na Fig. 2, e o filme é feito no plano mostrado em cinza. Embaixo à esquerda:densidade de elétrons estacionários de átomos de enxofre e oxigênio, exibindo valores altos no enxofre (vermelho) e valores menores nos oxigênios (amarelo). Embaixo, à direita:Mudança de dipolos locais em um tempo de retardo de 2,8 picossegundos (ps) após a excitação dos cristalitos de sulfato de amônio. Um deslocamento anisotrópico de carga reduz o dipolo que aponta para a direita e aumenta os outros 3 dipolos. Crédito:MBI Berlin
Os resultados estabelecem a difração de raios-X ultrarrápida resolvida no tempo como um método para vincular a dinâmica de carga em escala atômica às propriedades elétricas macroscópicas. Esta nova estratégia permite testar cálculos de mecânica quântica de propriedades elétricas e para caracterizar uma grande classe de materiais polares e / ou iônicos em vista de seu potencial para eletrônica de alta velocidade.
