Моделирование резонансного возбуждения терагерцевым излучением решеточной подсистемы сегнетоэлектрика в условиях неравновесного состояния

Цели. Поиск принципиально нового наиболее быстрого и наименее диссипативного способа управления ферроидным параметром порядка является актуальной и весьма амбициозной задачей фундаментальных и прикладных исследований в области разработки малодиссипативных и быстродействующих функциональных элементов информационных систем, оперирующих на терагерцевых (ТГц) частотах, для сетевых технологий 6G. Целью работы является исследование условий модуляции поляризации сегнетоэлектрика при помощи короткого ТГц-импульса, в т.ч. изучение влияния дополнительных факторов на эффективность ТГц-индуцированной динамики ферроидного параметра порядка.

Методы. Численное моделирование резонансного возбуждения ТГц-излучением решеточной подсистемы проводилось для сегнетоэлектрической пленки титаната бария-стронция Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ на основе системы уравнений, состоящей из уравнения Ландау – Халатникова и уравнения колебаний фононной моды, где в качестве вынуждающей силы выступает фонон-фононное взаимодействие. Новизна подхода заключается во взаимодействии ТГц-импульса с ранее когерентно возбужденной фононной модой, имеющей значительную амплитуду.

Результаты. Представлены временные зависимости поляризации, а также эффективной амплитуды колебаний инфракрасно-активной моды при варьировании параметров ТГц-поля и констант разложения термодинамического потенциала неравновесного состояния в виде ряда по степеням параметра порядка в разных режимах воздействия, включая изменение температуры и дополнительное воздействие внешнего электрического поля.

Выводы. Предложенный подход описывает переключение поляризации под действием ТГц-импульса при предварительном возбуждении когерентного фонона фемтосекундным оптическим импульсом. Наиболее важным параметром, определяющим пороговое воздействие ТГц-импульса на возбуждение фонона, является энергия (амплитуда) импульса. В области малых амплитуд увеличение температуры не приводит к ухудшению условий переключения.

1. Leitenstorfer A., Moskalenko A.S., Kampfrath T., Kono J., Castro-Camus E., Peng K., Qureshi N., Turchinovich D., Tanaka K., Markelz A.G., Havenith M., Hough C., Joyce H.J., Padilla W.J., Zhou B., Kim K-Y., Zhang X.-C., Uhd Jepsen P., Dhillon S., Vitiello M., Linfield E., Davies A.G., Hoffmann M.C., Lewis R., Tonouchi M., Klarskov P., Seifert T.S., Gerasimenko Y.A., Mihailovic D., Huber R., Boland J.L., Mitrofanov O., Dean P., Ellison B.N., Huggard P.G., Rea S.P., Walker C., Leisawitz D.T., Gao J.R., Li C., Chen Q., Valûsis G., Wallace V.P., Pickwell-MacPherson E., Shang X., Hesler J., Ridler N., Renaud C.C., Kallfass I., Nagatsuma T., Zeitler J.A., Arnone D., Johnston M.B., Cunningham J. The 2023 terahertz science and technology roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys. 2023;56:223001(67 p.). https://doi.org/10.1088/1361-6463/acbe4c

2. Brekhov K., Bilyk V., Ovchinnikov A., Chefonov O., Mukhortov V., Mishina E. Resonant Excitation of the Ferroelectric Soft Mode by a Narrow-Band THz Pulse. Nanomaterials. 2023;13(13):1961. https://doi.org/10.3390/nano13131961

3. Monnai Y., Lu X., Sengupta K. Terahertz Beam Steering: from Fundamentals to Applications. J. Infrared, Milli. Terahz Waves. 2023;44(3):169–211. https://doi.org/10.1007/s10762-022-00902-1

4. Quy V.K., Chehri A., Quy N.M., Han N.D., Ban N.T. Innovative Trends in the 6G Era: A Comprehensive Survey of Architecture, Applications, Technologies, and Challenges. IEEE Access. 2023;11:39824–39844. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3269297

5. Katayama I., Aoki H., Takeda J., Shimosato H., Ashida M., Kinjo R., Kawayama I., Tonouchi M., Nagai M., Tanaka K. Ferroelectric Soft Mode in a SrTiO3 Thin Film Impulsively Driven to the Anharmonic Regime Using Intense Picosecond Terahertz Pulses. Phys. Rev. Lett. 2012;108(9):097401(5 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.097401

6. Hoffmann M.C., Hwang H.Y., Brandt N.C., et al. Terahertz-induced Kerr-effect in Relaxor Ferroelectrics. MRS Online Proceedings Library. 2009;1230:408. https://doi.org/10.1557/PROC-1230-MM04-08

7. Yamakawa H., Miyamoto T., Morimoto T., Takamura N., Liang S., Yoshimochi H., Terashige T., Kida N., Suda M., Yamamoto H.M., Mori H., Miyagawa K., Kanoda K., Okamoto H. Terahertz-field-induced polar charge order in electronic type dielectrics. Nat. Commun. 2021;12:953(11 p.). https://doi.org/10.1038/s41467-021-20925-x

8. Hamm P., Meuwly M., Johnson S.L., Beaud P., Staub U. Perspective: THz-driven nuclear dynamics from solids to molecules. Struct. Dyn. 2017;4(6):061601(19 p.). https://doi.org/10.1063/1.4992050

9. Chen F., Zhu Y., Liu S., Qi Y., Hwang H.Y., Brandt N.C., Lu J., Quirin F., Enquist H., Zalden P., Hu T., Goodfellow J., Sher M.-J., Hoffmann M.C., Zhu D., Lemke H., Glownia J., Chollet M., Damodaran, Park J., Cai Z., Jung I.W., Highland M.J., Walko D.A., Freeland J.W., Evans P.G., Vailionis A., Larsson J., Nelson K.A., Rappe A.M., Sokolowski-Tinten K., Martin L.W., Wen H., Lindenberg A.M. Ultrafast terahertz-field-driven ionic response in ferroelectric BaTiO3. Phys. Rev. B. 2016;94(18):180104(6 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.180104

10. Kozina M., Pancaldi M., Bernhard C., van Driel T., Glownia J.M., Marsik P., Radovic M., Vaz C.A.F., Zhu D., Bonetti S., Staub U., Hoffmann M.C. Local terahertz field enhancement for time-resolved x-ray diffraction. Appl. Phys. Lett. 2017;110(8):081106. https://doi.org/10.1063/1.4977088

11. Kozina M., van Driel T., Chollet M., Sato T., Glownia J.M., Wandel S., Radovic M., Staub U., Hoffmann M.C. Ultrafast X-ray diffraction probe of terahertz field-driven soft mode dynamics in SrTiO3. Struct. Dyn. 2017;4(5):054301(7 p.). https://doi.org/10.1063/1.4983153

12. 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;7(1):687. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00704-9

13. Mankowsky R., von Hoegen A., Först M., Cavalleri A. Ultrafast Reversal of the Ferroelectric Polarization. Phys. Rev. Lett. 2017;118:197601(5 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.197601

14. Bilyk V., Mishina E., Sherstyuk N., Bush A., Ovchinnikov A., Agranat M. Transient polarization reversal using intense THz pulse in silicon-doped lead germinate. Physica Status Solidi (RRL). Rapid Research Letters. 2021;15(1):2000460(5 p.). https://doi.org/10.1002/pssr.202000460

15. Ландау Л.Д., Халатников И.М. Об аномальном поглощении звука вблизи точек фазового перехода второго рода. Доклады АН СССР. 1954;96:469–472.

16. Juraschek D.M., Fechner M., Spaldin N.A. Ultrafast Structure Switching through Nonlinear Phononics. Phys. Rev. Lett. 2017;118:054101(5 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.054101

17. Radaelli P.G. Breaking symmetry with light: Ultrafast ferroelectricity and magnetism from three-phonon coupling. Phys. Rev. B. 2018;97:085145(9 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.085145

18. Subedi А. Proposal for ultrafast switching of ferroelectrics using midinfrared pulses. Phys. Rev. B. 2015;92:214303(6 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.214303

19. Mertelj T., Kabanov V.V. Comment on “Ultrafast Reversal of the Ferroelectric Polarization”. Phys. Rev. Lett. 2019;123:129701. https://doi.org/10.1103/physrevlett.123.129701

20. Блинц Р., Жекш Б. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Динамика решетки: пер. с англ. под ред. Л.А. Шувалова. М.: Мир; 1975, 398 с. [Blinc R., Žekš B. Soft Modes in Ferroelectrics and Antiferroelectrics: transl. from Engl. Moscow: Nauka; 1975, 398 p. (In Russ.).]

21. Abalmasov V.A. Ultrafast reversal of the ferroelectric polarization by a midinfrared pulse. Phys. Rev. B. 2020;101:014102(8 p.). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.014102

22. Широков В.Б., Юзюк Ю.И., Калинчук В.В., Леманов В.В. Материальные константы твердых растворов (Ba,Sr)TiO3. Физика твердого тела. 2013;55(4):709–714. https://elibrary.ru/rcsvjh

23. Anokhin A.S., Yuzyuk Yu.I., Lyanguzov N.V., Razumnaya A.G., Stryukov D.V., Bunina O.A., Golovko Yu.I., Shirokov V.B., Mukhortov V.M., El Marssi M. Direct transition from the rhombohedral ferroelectric to the paraelectric phase in a (Ba,Sr)TiO3 thin film on a (111)MgO substrate. Europhysics Letters. 2015;112(4):47001(6 p). https://doi.org/10.1209/0295-5075/112/47001

24. Kwaaitaal M., Lourens D.G., Davies C.S., Kirilyuk A. Disentangling thermal birefringence and strain in the all-optical switching of ferroelectric polarization. Sci. Rep. 2024;14:24956(9 p.). https://doi.org/10.1038/s41598-024-75670-0