A luz pode ser usada não apenas para medir as propriedades dos materiais, mas também para mudá-los. Especialmente interessantes são aqueles casos em que a função de um material pode ser modificada, como sua capacidade de conduzir eletricidade ou armazenar informações em seu estado magnético. Uma equipe liderada por Andrea Cavalleri do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo usou pulsos de luz de frequência terahertz para transformar um material não ferroelétrico em um ferroelétrico.

Ferroeletricidade é um estado em que a rede constituinte é polarizada em uma direção específica, formando uma polarização elétrica macroscópica. A capacidade de inverter a polarização torna os materiais ferroelétricos particularmente adequados para codificação e processamento de informações digitais. A descoberta de um ferroelétrico induzido pela luz é altamente relevante para uma nova geração de dispositivos de alta velocidade, e é apresentado hoje no jornal Ciência .

Os materiais complexos são especiais porque suas propriedades macroscópicas incomuns são determinadas por muitas tendências concorrentes. Ao contrário de compostos mais convencionais, como os cristais de silício que constituem os dispositivos eletrônicos atuais, em materiais complexos, verifica-se que mais de um tipo de interação microscópica favorece mais de uma fase macroscópica possível.

Essa competição leva então a um compromisso, mas um que não é único e muitas vezes está em equilíbrio precário. Portanto, perturbações moderadas, por exemplo, irradiando um tal material com luz, pode induzir mudanças radicais nas propriedades do sólido.

Os pulsos de laser terahertz ultracurtos são especialmente úteis porque se acoplam diretamente à estrutura do cristal e podem deformar arranjos atômicos em altas velocidades. A excitação coerente de vibrações de rede foi mostrada no passado para causar mudanças nas propriedades elétricas ou arranjos magnéticos em uma série de materiais complexos, incluindo supercondutores.

Em sua última pesquisa, os cientistas descrevem como induziram uma ordem ferroelétrica em um material, uma propriedade dos sólidos que pode ser altamente relevante para as aplicações. Ferroeletricidade descreve o alinhamento espontâneo de dipolos elétricos, o que leva a uma polarização macroscópica semelhante à magnetização em um ferromagneto. Geralmente, ferroeletricidade ocorre apenas em uma classe limitada de materiais; Contudo, o grupo de Hamburgo descobriu que mesmo materiais não ferroelétricos podem ser forçados a entrar em uma fase ferroelétrica pela luz.

O titanato de estrôncio (STO) é paraelétrico em todas as temperaturas e uma ordem ferroelétrica de longo alcance nunca se desenvolve. Após vibrações emocionantes no STO pela luz, os pesquisadores observaram características em suas respostas óticas e elétricas típicas da ferroeletricidade. A origem desse efeito surpreendente está na natureza não linear da rede cristalina. O fônon acionado entrega parte de sua energia na forma de pressão ao sólido, resultando em uma deformação estrutural espacialmente variável dentro da área excitada. Nessas condições, uma propriedade do material chamada flexoeletricidade pode ser ativada, resultando em uma polarização macroscópica. Surpreendentemente, o estado fotoinduzido sobreviveu por horas após ser criado, mostrando que o material fez a transição para uma nova fase quase estável.

"A capacidade de induzir e controlar estados ferroelétricos com luz em escalas de tempo ultrarrápidas pode fornecer a base para tecnologias de próxima geração", diz Tobia Nova, primeiro autor do artigo. Os materiais ferroelétricos já estão no centro dos dispositivos em desenvolvimento, que exploram sua polarização espontânea para fazer chips de memória estáveis ​​ou computadores "sempre ligados". Como a fase ferroelétrica induzida pela luz demonstrada no experimento de Hamburgo opera em frequências terahertz, dispositivos eletro-ópticos que funcionam em velocidades tão altas podem ser imaginados. Além disso, uma vez que a flexoeletricidade é uma propriedade material comum, a capacidade de induzir polarizações flexoelétricas ultrarrápidas se estende muito além do exemplo específico de STO. Por último, porque STO é rotineiramente usado como um substrato em heteroestruturas complexas, o acesso óptico às polarizações flexoelétricas deve encontrar amplas aplicações na manipulação de fenômenos coletivos em interfaces.