Os experimentos de raios-X de femtosegundo em combinação com uma nova abordagem teórica estabelecem uma conexão direta entre as propriedades elétricas no mundo macroscópico e os movimentos dos elétrons na escala de tempo e comprimento dos átomos. Os resultados abrem um novo caminho para a compreensão e adaptação das propriedades dos materiais ferroelétricos.

Os fenômenos no mundo macroscópico são descritos pela física clássica, enquanto os processos em escalas de tempo e comprimento atômico são governados pelas leis da mecânica quântica. A conexão entre quantidades físicas microscópicas e macroscópicas está longe de ser trivial e parcialmente inexplicada.

A polarização elétrica é uma grandeza macroscópica que descreve o momento dipolar da matéria. A polarização se origina da distribuição peculiar de elétrons na escala atômica em materiais polares e iônicos, entre eles a classe mais interessante de ferroelétricos. Sua polarização elétrica espontânea é amplamente aplicada em sensores eletrônicos, recordações, e dispositivos de comutação. A ligação entre polarizações, em particular os dependentes do tempo, e as densidades microscópicas de elétrons são importantes para compreender e ajustar as propriedades dos ferroelétricos.

Com base em uma nova abordagem experimental e teórica, cientistas do Instituto Max Born estabeleceram agora uma conexão quantitativa direta entre polarizações elétricas macroscópicas e densidades de elétrons microscópicas dependentes do tempo. Conforme eles relatam em Revisão Física B , os movimentos atômicos em ferroelétricos são lançados por excitação óptica e modulam a distribuição de elétrons em uma escala de tempo de femtossegundo (1 fs =10 ^-15 segundos). A dinâmica resultante da densidade de elétrons é mapeada por difração de pó de raios-X resolvida no tempo. Esses dados permitem a geração de mapas de densidade de elétrons resolvidos temporal e espacialmente, a partir dos quais a polarização macroscópica momentânea é derivada com a ajuda de um novo conceito teórico. O potencial do método é demonstrado com dois protótipos de materiais ferroelétricos.

O trabalho teórico estende a abordagem de fase quântica existente para o cálculo de polarizações macroscópicas estacionárias em direção à dinâmica de não-equilíbrio ultra-rápida de carga e polarização de elétrons. As etapas teóricas principais consistem em derivar uma densidade de corrente microscópica de mapas de densidade de elétrons dependentes do tempo, minimizando a energia cinética do elétron, e calcular a polarização macroscópica da densidade de corrente. Este método é aplicado ao protótipo de material ferroelétrico sulfato de amônio [(NH4) 2SO4, Fig. 1] com as densidades de elétrons e de corrente dependentes do tempo mostradas no filme. Como um segundo sistema de protótipo, O di-hidrogenofosfato de potássio [KH2PO4] foi investigado. A análise fornece polarizações macroscópicas e seus valores absolutos governados por vibrações microscópicas.

Os resultados estabelecem a difração de raios-X ultrarrápida como uma ferramenta única para compreender as propriedades elétricas macroscópicas de materiais complexos. A ampla relevância desse novo insight é sublinhada pela seleção do artigo como uma sugestão do editor.