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儀表網 研發快訊】超快激光技術具備精確操縱材料的結構和功能的能力，在光與物質相互作用的研究中具有重要的科學意義和廣闊的應用前景。在過去十年里，超快激光驅動鐵電材料相變取得了重大突破，為基于鐵電的非易失性存儲器的超快調控提供了新的途徑。然而，目前強激光脈沖僅能導致鐵電極化降低或部分瞬態翻轉，尚未實現完全的鐵電極化翻轉。這些現象的根原以及在鐵電材料中實現完全鐵電極化翻轉的可能性尚不清楚，需要更有效的激光誘導鐵電極化翻轉機制。
滑移鐵電性最初是在非鐵電的蜂窩晶格(比如h-BN、MoS2)中首次提出，在這些材料中，雙層或多層的特定堆疊結構能夠打破對稱性，并通過平面平移引發可切換的垂直極化。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF10課題組博士后楊慶在孟勝研究員的指導下，利用組內自主開發的、基于第一性原理含時密度泛函理論的非絕熱分子動力學方法和軟件(TDAP)，深入研究光致滑移鐵電極化翻轉的動力學過程。他們通過在飛秒時間尺度和原子級空間尺度上進行深入探索，發現在超快激光共振激發的作用下，雙層六方氮化硼(h-BN)中可以在0.5皮秒內實現垂直鐵電極化的完全翻轉(圖)。超快激光創造一個高效的通道，以非熱方式有效地改變鐵電相變的勢能面，實現超快鐵電極化翻轉。他們提出一種新的微觀機制，即激光激發載流子引起的離子驅動力使得系統需要克服較小的能量勢壘就能夠翻轉鐵電極化，表明通過激光照射改變了相變勢能面、從而提供了實現超快鐵電極化翻轉的新途徑。這樣就可以利用一個激光脈沖在皮秒時間尺度下翻轉鐵電極化，并通過間隔的激光脈沖可逆地將其翻轉回來。通過激光激發實現的超快鐵電開關在超快非易失性鐵電存儲器中具有重要的潛在應用。
這種超快鐵電極化翻轉的根源在于非平衡載流子激發以及由強電子-聲子耦合誘導的光學聲子模式運動所驅動的層間滑移。由于聲子的非諧運動與分布在費米面附近的光激發載流子密度息息相關，量子材料的鐵電相變與激發態載流子以及電子-聲子耦合密切相關。這些發現為利用激光誘導聲子驅動的鐵電極化翻轉提供了獨特的視角，為開發超快的鐵電非易失性器件提供了新的可能。
相關研究成果以“Light-induced Complete Reversal of Ferroelectric Polarization in Sliding Ferroelectrics”為題發表在Physical Review Letters133, 136902 (2024)上。中國科學院物理研究所博士后楊慶為該工作的第一作者，中國科學院物理研究所孟勝研究員為通訊作者。該工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院的資助。
圖 超快鐵電極化翻轉原理圖。
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