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[FA & CA 신동빈 교수] 양자 상유전체인 스트론튬 티탄산염이 빛에 의해 강유전체가 되는 메커니즘 규명 (Physical Review Letters 논문게제)

그림. 빛을 가했을 때 실시간으로 변화하는 음향양자의 파동함수

강유전체는 스스로 전기 분극을 띄고 있는 물질로써 다양한 장치에서 활용되고 있습니다. 특히, 외부 장을 통하여 전기 분극의 방향을 바꿀 수 있는 특성을 활용하여, 메모리 장치로써 일상생활에서 많이 사용 되고 있습니다. 반면, 상유전체는 스스로 전기 분극을 띄지 않는 물질로 주로 절연체로 활용 되고 있습니다. 최근 실험 연구는 양자 상유전체인 스트론튬 티탄산염이 빛에 의하여 강유전체로의 상전이를 보인다는 결과를 보고하였습니다. 이러한 관측은 빛을 통하여 일시적으로 상유전체인 물질을 강유전체로 활용할 수 있다는 가능성을 제시합니다. 본 연구에서는 제일원리를 기반으로 한 슈레딩거-랑주벵 방정식을 통해 양자 상유전 상태의 스트론튬 티탄산염이 테라헤르츠 파에 의하여 강유전상으로의 상전이가 가능함을 이론적으로 보였습니다. 특히 강유전 무른 음향양자의 파동함수의 동역학을 실시간 추적하여, 이러한 현상이 양자 상유전상의 고유의 특성임을 밝혔습니다.

Ferroelectric materials have finite electric polarization that an external field can switch. This property has been exploited in memory devices. On the other hand, paraelectric materials do not show electric polarization and are utilized as an insulator in silicon-based devices. A recent experiment reported that a terahertz-field pulse could induce the ferroelectric transition in quantum paraelectric SrTiO3. This observation suggests that light makes the ultrafast control of phase transition possible. In this work, we theoretically demonstrated terahertz field-induced ferroelectric transition in SrTiO3 by solving the Schrodinger-Langevin equation based on the first-principle calculations. Especially, we found that this phenomenon is the unique behavior of the quantum paraelectric state.

Authors: Dongbin Shin(FA and CA), Simone Latini, Christian Schäfer, Shunsuke A. Sato, Edoardo Baldini, Umberto De Giovannini, Hannes Hübener, Angel Rubio(CA)

Publication Date: 10 Oct 2022