鐵電晶體顯示出宏觀電極化，原子尺度上的許多偶極子的疊加，其源自空間上分離的電子和原子核。當(dāng)原子開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)計(jì)宏觀極化會(huì)發(fā)生變化，但極化和原子運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系仍然未知。時(shí)間分辨的X射線實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在闡明微小的原子振動(dòng)使負(fù)電荷在原子間的1000倍大的距離上移動(dòng)，并在百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間尺度上切換宏觀極化。

鐵電材料受到電子傳感器，存儲(chǔ)器和開(kāi)關(guān)裝置應(yīng)用的強(qiáng)烈興趣。在這種情況下，快速和受控的電氣特性變化對(duì)于有效實(shí)施特定功能至關(guān)重要。這需要理解原子結(jié)構(gòu)和宏觀電性質(zhì)之間的聯(lián)系，包括控制宏觀電極化最快可能動(dòng)力學(xué)的物理機(jī)制。

來(lái)自柏林Max Born研究所的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)證明了原子振動(dòng)如何在幾皮秒(1皮秒(ps)=百萬(wàn)分之一秒的百萬(wàn)分之一秒)的時(shí)間尺度上調(diào)制原型鐵電硫酸銨的宏觀電極化。在最新一期的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)期刊上他們報(bào)告了一種超快速的X射線實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)允許以定量的方式將電荷的運(yùn)動(dòng)映射到原子直徑(10到-10m = 100皮米的冪)的距離上。在測(cè)量中，超短激發(fā)脈沖將材料的原子(小微晶粉末)設(shè)置為振動(dòng)。從激發(fā)的樣品衍射延時(shí)的硬X射線脈沖，并以X射線粉末衍射圖案的形式測(cè)量瞬時(shí)原子排列。這種快照的序列表示所謂的電子密度圖的電影，從該電影中，每個(gè)瞬間導(dǎo)出電子和原子振動(dòng)的空間分布。

電子密度圖顯示電子在10的距離內(nèi)移動(dòng)到原子間的負(fù)10米的功率，這比它們?cè)谡駝?dòng)期間的位移大一千倍。這種行為是由于局部電場(chǎng)與原子周圍的可極化電子云的復(fù)雜相互作用，并決定了原子尺度上的瞬時(shí)電偶極子。應(yīng)用一種新穎的理論概念，原子世界中與時(shí)間有關(guān)的電荷分布與宏觀電極化有關(guān)。后者受到微小的原子振動(dòng)的強(qiáng)烈調(diào)制，并完全逆轉(zhuǎn)其與原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間符號(hào)。300 GHz的調(diào)制頻率由原子振動(dòng)的頻率設(shè)定，對(duì)應(yīng)于1.5 ps內(nèi)微觀極化的完全反轉(zhuǎn)，比任何現(xiàn)有的鐵電開(kāi)關(guān)設(shè)備快得多。在微晶表面，最大電極化產(chǎn)生大約每秒7億伏特的電場(chǎng)。

該結(jié)果建立了時(shí)間分辨超快X射線衍射，作為將原子級(jí)電荷動(dòng)力學(xué)與宏觀電性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)的方法。這種新穎的策略允許測(cè)試電性能的量子力學(xué)計(jì)算，并且鑒于它們對(duì)高速電子器件的潛力，用于表征大類極性和/或離子材料。