mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2017-5-3-41-50mireabulletin-61Research ArticleК 70-ЛЕТИЮ МИРЭАTo the 70th anniversary of MIREAДИНАМИЧЕСКОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА КОРОТКИМ ТЕРАГЕРЦОВЫМ ИМПУЛЬСОМTRANSIENT REVERSAL OF FERROELECTRIC POLARIZATION INDUCED BY TERAHERTZ ELECTROMAGNETIC PULSEМишинаЕ. Д.MishinaE. D.noemail@neicon.ruГришунинК. А.GrishuninK. A.grishunin@mirea.ruМосковский технологический университет (МИРЭА)РоссияMoscow Technological University (MIREA)Russian Federation201728062017534150Copyright © Мишина Е.Д., Гришунин К.А., 20172017Мишина Е.Д., Гришунин К.А.Mishina E.D., Grishunin K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/61

В работе представлены результаты исследования сверхбыстрого нелинейно-оптического отклика тонкой пленки (Ba0.8Sr0.2)TiO3 (001) на импульс электромагнитного поля терагерцовой частоты, длительностью, равной периоду колебаний такого импульса, и амплитудой до 500 кВ/см. Нелинейно-оптический отклик являлся мерой сегнетоэлектрической поляризации. Начальная поляризация пленок перпендикулярна их плоскости, терагерцовое поле ориентировано в плоскости пленки. Показано, что во время действия импульса сегнетоэлектрическая поляризация следует за приложенным полем во времени и переключается вдоль направления поля. После окончания действия терагерцового импульса наблюдались долгоживущие (>20 пс) осцилляции, частота которых совпадает с частотой мягкой моды в этом материале. Микроскопическое описание нелинейной восприимчивости объясняет резонансное поведение нелинейно-оптического отклика в терагерцовом диапазоне.

The paper presents the results of an investigation of the ultrafast nonlinear-optical response of a thin film (Ba0.8Sr0.2)TiO3(001) to a terahertz frequency electromagnetic field pulse with duration near 1ps and electric field up to 500 kV/cm. Nonlinear optical response was a method to detect the ferroelectric polarization. The initial spontaneous polarization was perpendicular to the film, terahertz electric field was in-plane of the film. We demonstrated that ferroelectric polarization repeats the profile of the THz pulse during its impact and switches along the field direction. After the end of the THz pulse, the longlive (>20ps) oscillations were observed. The frequency of these oscillations correspond to the frequency of the soft mode in this material. Microscopic discription of nonlinear susceptibility explains the resonant behavior of nonlinear-optical response in THz range.

терагерцовое излучениесегнетоэлектрикпереключение поляризациигенерация второй оптической гармоникиterahertz radiationferroelectricpolarization switchingsecond harmonic generationReferencesDe Jong J.A., Razdolski I., Kalashnikova A.M., Pisarev R.V., Balbashov A.M., Kirilyuk A., Rasing Th., Kimel A.V. Coherent control of the route of an ultrafast magnetic phase transition via low-amplitude spin precession // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108, № 15. P. 157601-5.De Jong J.A., Razdolski I., Kalashnikova A.M., Pisarev R.V., Balbashov A.M., Kirilyuk A., Rasing Th., Kimel A.V. Coherent control of the route of an ultrafast magnetic phase transition via low-amplitude spin precession // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108, № 15. P. 157601-5.Afanasiev D., Ivanov B.A., Kirilyuk A., Rasing Th., Pisarev R.V., Kimel A.V. Control of the ultrafast photoinduced magnetization across the morin transition in DyFeO3 // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116, № 9. P. 97401-5.Afanasiev D., Ivanov B.A., Kirilyuk A., Rasing Th., Pisarev R.V., Kimel A.V. Control of the ultrafast photoinduced magnetization across the morin transition in DyFeO3 // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116, № 9. P. 97401-5.Vahaplar K., Kalashnikova A.M., Kimel A.V., Hinzke D., Nowak U., Chantrell R., Tsukamoto A., Itoh A., Kirilyuk A., Rasing Th. Ultrafast path for optical magnetization reversal via a strongly nonequilibrium state // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103, № 11. P. 117201-4.Vahaplar K., Kalashnikova A.M., Kimel A.V., Hinzke D., Nowak U., Chantrell R., Tsukamoto A., Itoh A., Kirilyuk A., Rasing Th. Ultrafast path for optical magnetization reversal via a strongly nonequilibrium state // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103, № 11. P. 117201-4.Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of continuous media. Pergamon, Oxford, 1984. 460 p.Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of continuous media. Pergamon, Oxford, 1984. 460 p.Rana D.S., Kawayama I., Mavani K., Takahashi K., Murakami H., Tonouchi M. Understanding the nature of ultrafast polarization dynamics of ferroelectric memory in the muitiferroic BiFeO3 // Adv. Mater. 2009. V. 21, № 28. P. 2881-2885.Rana D.S., Kawayama I., Mavani K., Takahashi K., Murakami H., Tonouchi M. Understanding the nature of ultrafast polarization dynamics of ferroelectric memory in the muitiferroic BiFeO3 // Adv. Mater. 2009. V. 21, № 28. P. 2881-2885.Bhattacharjee S., Rahmedov D., Wang D., Iniguez J., Bellaiche L. Ultrafast switching of the electric polarization and magnetic chirality in BiFeO3 by an electric field // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112, № 14. P. 147601-25.Bhattacharjee S., Rahmedov D., Wang D., Iniguez J., Bellaiche L. Ultrafast switching of the electric polarization and magnetic chirality in BiFeO3 by an electric field // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112, № 14. P. 147601-25.Brekhov K.A., Grishunin K.A., Afanas’ev D.V., Semin S.V., Sherstyuk N.E., Kitaeva G.Kh, Mishina E.D., Rasing Th., Kimel A.V. Photoinduced dynamics and femtosecond excitation of phonon modes in ferroelectric semiconductor Sn2P2S6 // JETP Lett. 2015. V. 102, № 6. P. 372-377.Brekhov K.A., Grishunin K.A., Afanas’ev D.V., Semin S.V., Sherstyuk N.E., Kitaeva G.Kh, Mishina E.D., Rasing Th., Kimel A.V. Photoinduced dynamics and femtosecond excitation of phonon modes in ferroelectric semiconductor Sn2P2S6 // JETP Lett. 2015. V. 102, № 6. P. 372-377.Miyamoto T., Yada H., Yamakawa H., Okamoto H. Ultrafast modulation of polarization amplitude by terahertz fields in electronic-type organic ferroelectrics // Nat. Commun. 2013. V. 4. P. 2586-9.Miyamoto T., Yada H., Yamakawa H., Okamoto H. Ultrafast modulation of polarization amplitude by terahertz fields in electronic-type organic ferroelectrics // Nat. Commun. 2013. V. 4. P. 2586-9.Yamakawa H., Miyamoto T., Morimoto T., Yada H., Kinoshita Y., Sotome M., Kida N., Yamamoto K., Iwano K., Matsumoto Y. Novel electronic ferroelectricity in an organic chargeorder insulator investigated with terahertz-pump optical-probe spectroscopy. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 20571-10.Yamakawa H., Miyamoto T., Morimoto T., Yada H., Kinoshita Y., Sotome M., Kida N., Yamamoto K., Iwano K., Matsumoto Y. Novel electronic ferroelectricity in an organic chargeorder insulator investigated with terahertz-pump optical-probe spectroscopy. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 20571-10.Kampfrath T., Tanaka K., Nelson K.A. Resonant and nonresonant control over matter and light by intense terahertz transients // Nat. Photonics. 2013. V. 7, № 9. P. 680-690.Kampfrath T., Tanaka K., Nelson K.A. Resonant and nonresonant control over matter and light by intense terahertz transients // Nat. Photonics. 2013. V. 7, № 9. P. 680-690.Chen F., Zhu Y., Liu S., Qi Y., Hwang H.Y., Brandt N.C. Ultrafast terahertz-field-driven ionic response in ferroelectric BaTiO3 // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2016. V. 94, № 18. P. 180104-6.Chen F., Zhu Y., Liu S., Qi Y., Hwang H.Y., Brandt N.C. Ultrafast terahertz-field-driven ionic response in ferroelectric BaTiO3 // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2016. V. 94, № 18. P. 180104-6.Jiang A.Q., Scott J.F. Phase transitions and polarizations in epitaxial BaTio3/SrTiO3 superlattices studied by second-harmonic generation // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, № 2. P. 1180-1185.Jiang A.Q., Scott J.F. Phase transitions and polarizations in epitaxial BaTio3/SrTiO3 superlattices studied by second-harmonic generation // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, № 2. P. 1180-1185.Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Lavrov S.D., Buryakov A.M., Marchenkova M.A., Elshin A.S., Sigov A.S. Optical second harmonic generation microscopy for ferroic materials // Ferroelectrics. 2015. V. 477, № 1. P. 29-46.Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Lavrov S.D., Buryakov A.M., Marchenkova M.A., Elshin A.S., Sigov A.S. Optical second harmonic generation microscopy for ferroic materials // Ferroelectrics. 2015. V. 477, № 1. P. 29-46.Grishunin K.A., Brekhov K.A., Samotokhin O.V. The study of the nature of the local optical inhomodeneities induced by ultrashort laser pulses, in the crystal of the ferroelectricsemiconductor Sn2P2S6 // Russ. Technol. J. 2015. V. 2, № 9. P. 134-144.Grishunin K.A., Brekhov K.A., Samotokhin O.V. The study of the nature of the local optical inhomodeneities induced by ultrashort laser pulses, in the crystal of the ferroelectricsemiconductor Sn2P2S6 // Russ. Technol. J. 2015. V. 2, № 9. P. 134-144.Юзюк Ю.И., Захарченко И.Н., Алёшин В.А., Леонтьев И.Н., Рабкин Л.М., Мухортов В.М., Simon P. Влияние механизма роста и термоупругих напряжений на динамику кристаллической решетки гетероэпитаксиальных пленок титаната бария-стронция // Физика твердого тела. 2007. Т. 49, № 9. С. 1676-1682.Юзюк Ю.И., Захарченко И.Н., Алёшин В.А., Леонтьев И.Н., Рабкин Л.М., Мухортов В.М., Simon P. Влияние механизма роста и термоупругих напряжений на динамику кристаллической решетки гетероэпитаксиальных пленок титаната бария-стронция // Физика твердого тела. 2007. Т. 49, № 9. С. 1676-1682.Анохин А.С., Разумная А.Г., Юзюк Ю.И., Головко Ю.И., Мухортов В.М. Фазовые переходы в пленках титаната бария-стронция на подложках MgO различной ориентации // Физика твердого тела. 2016. T. 58, № 10. C. 1956-1963.Анохин А.С., Разумная А.Г., Юзюк Ю.И., Головко Ю.И., Мухортов В.М. Фазовые переходы в пленках титаната бария-стронция на подложках MgO различной ориентации // Физика твердого тела. 2016. T. 58, № 10. C. 1956-1963.Mukhortov V.M., Golovko Y.I., Tolmachev G.N., Klevtzov A.N. The synthesis mechanism of complex oxide films formed in dense RF-plasma by reactive sputtering of stoichiometric targets // Ferroelectrics. 2000. V. 247, № 1. P. 75-83.Mukhortov V.M., Golovko Y.I., Tolmachev G.N., Klevtzov A.N. The synthesis mechanism of complex oxide films formed in dense RF-plasma by reactive sputtering of stoichiometric targets // Ferroelectrics. 2000. V. 247, № 1. P. 75-83.Grishunin K.A., Ilyin N.A., Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Kimel A., Mukhortov V.M., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B. THz electric field-induced second harmonic generation in inorganic ferroelectric // Sci. Rep. 2017. V. 7, № 1. P. 687-696.Grishunin K.A., Ilyin N.A., Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Kimel A., Mukhortov V.M., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B. THz electric field-induced second harmonic generation in inorganic ferroelectric // Sci. Rep. 2017. V. 7, № 1. P. 687-696.Golay M.J.E. Theoretical consideration in heat and infra-red detection, with particular reference to the pneumatic detector // Rev. Sci. Instrum. 1947. V. 18, № 5. P. 347-356.Golay M.J.E. Theoretical consideration in heat and infra-red detection, with particular reference to the pneumatic detector // Rev. Sci. Instrum. 1947. V. 18, № 5. P. 347-356.Xin X., Altan H., Sainta A., Matten D., Alfano R.R. Terahertz absorption spectrum of para and ortho water vapors at different humidities at room temperature // J. Appl. Phys. 2006. V. 100, № 9. P. 094905Xin X., Altan H., Sainta A., Matten D., Alfano R.R. Terahertz absorption spectrum of para and ortho water vapors at different humidities at room temperature // J. Appl. Phys. 2006. V. 100, № 9. P. 094905Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Советское радио, 1978. 400 с.Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Советское радио, 1978. 400 с.Aktsipetrov O.A., Fedyanin A.A., Mishina E.D., Rubtsov A.N., vanHasselt C.W., Devillers M.A.C, Rasing T. Probing the silicon-silicon oxide interface of Si(111)-SiO2-Cr MOS structures by DC-electric-field-induced second harmonic generation // Surf. Sci. 1996. V. 352-354. P. 1033-1037.Aktsipetrov O.A., Fedyanin A.A., Mishina E.D., Rubtsov A.N., vanHasselt C.W., Devillers M.A.C, Rasing T. Probing the silicon-silicon oxide interface of Si(111)-SiO2-Cr MOS structures by DC-electric-field-induced second harmonic generation // Surf. Sci. 1996. V. 352-354. P. 1033-1037.Овчинников А.В., Чефонов О.В., Агранат М.Б., Гришунин К.А., Ильин Н.А., Писарев Р.В., Кимель А.В., Калашникова А.М. Генерация второй оптической гармоники под действием пикосекундных терагерцовых импульсов в центросимметричном антиферромагнетике NiO // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 104, № 7. С. 467-474.Овчинников А.В., Чефонов О.В., Агранат М.Б., Гришунин К.А., Ильин Н.А., Писарев Р.В., Кимель А.В., Калашникова А.М. Генерация второй оптической гармоники под действием пикосекундных терагерцовых импульсов в центросимметричном антиферромагнетике NiO // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 104, № 7. С. 467-474.Boyd R.W. Nonlinear Optics, Third Ed. Academic Press, USA, 2008. 613 p.Boyd R.W. Nonlinear Optics, Third Ed. Academic Press, USA, 2008. 613 p.Wang F. Calculation of the electro-optical and nonlinear optical coefficients of ferroelectric materials from their linear properties // Phys. Rev. B. 1999. V. 59, № 15. P. 9733-9736.Wang F. Calculation of the electro-optical and nonlinear optical coefficients of ferroelectric materials from their linear properties // Phys. Rev. B. 1999. V. 59, № 15. P. 9733-9736.Dhar L., Rogers J.A., Nelson K.A. Time-resolved vibrational spectroscopy in the impulsive limit // Chem. Rev. 1994. V. 94, № 1. P. 157-193.Dhar L., Rogers J.A., Nelson K.A. Time-resolved vibrational spectroscopy in the impulsive limit // Chem. Rev. 1994. V. 94, № 1. P. 157-193.Dolino G., Lajzerowicz J., Vallade M. Second-harmonic light scattering by domains in ferroelectric triglycine sulfate // Phys. Rev. B. 1970. V. 2, № 6. P. 2194-2200.Dolino G., Lajzerowicz J., Vallade M. Second-harmonic light scattering by domains in ferroelectric triglycine sulfate // Phys. Rev. B. 1970. V. 2, № 6. P. 2194-2200.Mishina E.D., Sherstyuk N.E., Barskiy D.R., Sigov A.S., Golovko Yu. I., Mukhorotov V.M., De Santo M., Rasing Th. Domain orientation in ultrathin (Ba,Sr)TiO3 films measured by optical second harmonic generation // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, № 10. P. 6216-6222.Mishina E.D., Sherstyuk N.E., Barskiy D.R., Sigov A.S., Golovko Yu. I., Mukhorotov V.M., De Santo M., Rasing Th. Domain orientation in ultrathin (Ba,Sr)TiO3 films measured by optical second harmonic generation // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, № 10. P. 6216-6222.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.