Les ferroélectriques sont considérés comme des candidats prometteurs pour l'électronique de demain. Une expérience dans le plus grand laser aux rayons X du monde – le XFEL européen dans Schenefeld près de Hambourg – montre maintenant que leurs propriétés peuvent être contrôlées avec une haute précision à des échelles de temps ultrafast – en utilisant la lumière.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Le Phuong Hoang et Giuseppe Mercurio d'European Xfel a découvert une nouvelle façon de manipuler les propriétés des matériaux ferroélectriques extrêmement rapidement et précisément avec la lumière. Cette percée pourrait ouvrir la voie à des dispositifs de mémoire ou à des composants électroniques plus rapides et plus économes en énergie. Les résultats sont publiés dans la revue Communications de la nature.
Les matériaux ferroélectriques sont des cristaux dans lesquels les charges positives et négatives sont légèrement déplacées les unes des autres, générant un champ électrique interne – connu sous le nom de polarisation spontanée. Cette polarisation peut être inversée en appliquant un champ électrique externe, ce qui rend ces matériaux idéaux pour une utilisation comme commutateurs à l'échelle nanométrique.
Dans cette étude, les chercheurs ont maintenant montré que la polarisation peut être modifiée indépendamment de la distorsion du réseau à laquelle elle est généralement étroitement liée. Jusqu'à présent, ce découplage n'avait été théorisé que – il n'avait jamais été observé expérimentalement. Le processus a été activé par des impulsions laser ultra-court et à haute énergie, qui ont excité les électrons du matériau. Cela a permis à l'équipe de changer la polarisation extrêmement rapide – en moins d'un million de secondes.
À l'instrument SCS, les chercheurs ont étudié le titanate de baryum (Batio₃), un oxyde ferroélectrique prototypique, en utilisant les éclairs X exceptionnellement brillants et intenses de XFEL européen, ainsi que des lasers optiques. Avec leurs techniques de mesure, ils ont pu suivre les changements dans la polarisation du matériau, la structure du réseau et l'état électronique dans les mêmes conditions – avec une résolution temporelle de seulement 90 Femtosecondes, ou un milliardième de milliardième de seconde.
Ils ont observé que seulement 350 Femtosecondes après excitation par le laser, la polarisation avait déjà changé de manière significative – sans le réseau cristallin ayant eu le temps de se déplacer notamment. « Nos mesures montrent que la polarisation était principalement contrôlée par des électrons photoexcités plutôt que par des distorsions structurelles », explique Le Phuong Hoang.
« Ce découplage ouvre de nouvelles possibilités pour concevoir de futurs composants électroniques », ajoute Giuseppe Mercurio.
« Jusqu'à présent, la réalisation d'états de polarisation spécifiques a nécessité l'application de champs électriques et de circuits complexes. À l'avenir, les impulsions légères pourraient être suffisantes. Il pourrait également être possible de manipuler les propriétés magnétiques de la même manière, par exemple, dans les soi-disant multiféroiques, qui peuvent être contrôlés à la fois électriquement et magnétiquement », prédit Mercurio.
L'étude démontre une approche fondamentalement nouvelle pour contrôler les matériaux – non seulement plus rapide, mais aussi via des mécanismes alternatifs à l'approche typique des propriétés des matériaux d'adaptation par conception de l'échantillon. Les chercheurs sont convaincus que cela marque une étape importante vers l'électronique contrôlée par la lumière, avec des applications potentiellement de grande envergure dans les technologies de détection, le traitement des données et le stockage d'informations économe en énergie.
