超快激光技術(shù)具備精確操縱材料的結(jié)構(gòu)和功能的能力，在光與物質(zhì)相互作用的研究中具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。在過(guò)去十年里，超快激光驅(qū)動(dòng)鐵電材料相變?nèi)〉昧酥卮笸黄?，為基于鐵電的非易失性存儲(chǔ)器的超快調(diào)控提供了新的途徑。然而，目前強(qiáng)激光脈沖僅能導(dǎo)致鐵電極化降低或部分瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)，尚未實(shí)現(xiàn)完全的鐵電極化翻轉(zhuǎn)。這些現(xiàn)象的根原以及在鐵電材料中實(shí)現(xiàn)完全鐵電極化翻轉(zhuǎn)的可能性尚不清楚，需要更有效的激光誘導(dǎo)鐵電極化翻轉(zhuǎn)機(jī)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(jié)構(gòu)能夠打破對(duì)稱性，并通過(guò)平面平移引發(fā)可切換的垂直極化。近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心SF10課題組博士后楊慶在孟勝研究員的指導(dǎo)下，利用組內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的、基于第一性原理含時(shí)密度泛函理論的非絕熱分子動(dòng)力學(xué)方法和軟件(TDAP)，深入研究光致滑移鐵電極化翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。他們通過(guò)在飛秒時(shí)間尺度和原子級(jí)空間尺度上進(jìn)行深入探索，發(fā)現(xiàn)在超快激光共振激發(fā)的作用下，雙層六方氮化硼(h-BN)中可以在0.5皮秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直鐵電極化的完全翻轉(zhuǎn)(圖)。超快激光創(chuàng)造一個(gè)高效的通道，以非熱方式有效地改變鐵電相變的勢(shì)能面，實(shí)現(xiàn)超快鐵電極化翻轉(zhuǎn)。他們提出一種新的微觀機(jī)制，即激光激發(fā)載流子引起的離子驅(qū)動(dòng)力使得系統(tǒng)需要克服較小的能量勢(shì)壘就能夠翻轉(zhuǎn)鐵電極化，表明通過(guò)激光照射改變了相變勢(shì)能面、從而提供了實(shí)現(xiàn)超快鐵電極化翻轉(zhuǎn)的新途徑。這樣就可以利用一個(gè)激光脈沖在皮秒時(shí)間尺度下翻轉(zhuǎn)鐵電極化，并通過(guò)間隔的激光脈沖可逆地將其翻轉(zhuǎn)回來(lái)。通過(guò)激光激發(fā)實(shí)現(xiàn)的超快鐵電開(kāi)關(guān)在超快非易失性鐵電存儲(chǔ)器中具有重要的潛在應(yīng)用。
 

　　這種超快鐵電極化翻轉(zhuǎn)的根源在于非平衡載流子激發(fā)以及由強(qiáng)電子-聲子耦合誘導(dǎo)的光學(xué)聲子模式運(yùn)動(dòng)所驅(qū)動(dòng)的層間滑移。由于聲子的非諧運(yùn)動(dòng)與分布在費(fèi)米面附近的光激發(fā)載流子密度息息相關(guān)，量子材料的鐵電相變與激發(fā)態(tài)載流子以及電子-聲子耦合密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為利用激光誘導(dǎo)聲子驅(qū)動(dòng)的鐵電極化翻轉(zhuǎn)提供了獨(dú)特的視角，為開(kāi)發(fā)超快的鐵電非易失性器件提供了新的可能。
 

　　相關(guān)研究成果以“Light-induced Complete Reversal of Ferroelectric Polarization in Sliding Ferroelectrics”為題發(fā)表在Physical Review Letters133, 136902 (2024)上。中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士后楊慶為該工作的第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟勝研究員為通訊作者。該工作受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院的資助。
 

圖 超快鐵電極化翻轉(zhuǎn)原理圖。