(Notícias Nanowerk) Os materiais ferroelétricos são incomuns porque têm um lado eletricamente positivo e um lado eletricamente negativo, e esses lados podem ser comutados com um campo elétrico. Ferroelétricos relaxantes são materiais ferroelétricos especiais com propriedades elétricas e mecânicas bastante aprimoradas. Essas propriedades se originam da estrutura de domínio dos materiais. Estas são áreas microscópicas onde a direção da polarização está alinhada. Saber a rapidez com que as propriedades desses materiais podem mudar é basic para compreendê-los e utilizá-los.
No entanto, os cientistas não conseguiram medir a rapidez com que estes materiais podem responder. Este estudo mostra que a luz pode modular a polarização elétrica dentro dos domínios do relaxor em alguns trilionésimos de segundo. Os pesquisadores mediram essa velocidade usando difração de elétrons ultrarrápida em nível atômico para obter instantâneos da estrutura do domínio em evolução. A equipe combinou essas medições com a teoria para entender como a luz modula a estrutura relaxante.
As descobertas são publicadas em Nano-letras (“Manipulação de polarização ultrarrápida acionada por luz em um relaxor ferroelétrico”).
Os relaxantes já têm muitas aplicações: armazenamento de energia, sensores, transdutores e atuadores. Suas propriedades únicas originam-se de seus muitos domínios de polarização microscópica. O controle rápido desses domínios desbloqueará muito mais aplicações, e a compreensão de como esses processos funcionam avançará a ciência dos materiais.
Estudos anteriores mostraram que campos elétricos e/ou temperatura podem girar a polarização em domínios, mas o tempo necessário nunca foi medido. Este trabalho demonstra que a rotação acontece em uma escala de tempo de picossegundos (um trilionésimo de segundo). A pesquisa também sugere uma nova maneira de controlar os domínios relaxantes nas escalas atômica e nano.
Três grupos de pesquisa com experiência em síntese de materiais, experimentos resolvidos no tempo e simulação de campo de fase trabalharam juntos para investigar fenômenos físicos induzidos pela luz em ferroelétricos relaxantes. Eles estudaram o PMN-0.32PT, que é um dos relaxantes mais notáveis. O projeto usou a instalação de difração de elétrons ultrarrápida (UED) na fonte de luz coerente Linac (LCLS), uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência.
Os pesquisadores desencadearam a resposta induzida pela luz usando um laser de femtossegundo (um quatrilionésimo de segundo) de 266 nm e sondaram o padrão de difração com um feixe de elétrons de alta energia com duração de 100 femtossegundos. Ao alterar o tempo de atraso dos feixes de laser e elétrons, eles coletaram instantâneos da estrutura com resolução de femtossegundos. Eles encontraram mudanças significativas de intensidade de picos de difração específicos que permitiram a dedução do movimento em escala atômica que ocorre dentro de cada célula unitária.
Simulações de campo de fase foram usadas para compreender os mecanismos e caminhos pelos quais a luz modulou a estrutura, indicando que um salto de temperatura induzido pela luz desempenhou um papel basic e mostrando que a polarização pode ser modulada tanto em magnitude quanto em direção. Este estudo outline novas oportunidades para controle dinâmico reconfigurável da polarização em ferroelétricos relaxantes em nanoescala.