Οι φυσικοί αποκαλύπτουν την «τρισδιάστατη δίνη» της μηδενικής διάστασης σιδηροηλεκτρισμού

ένα kaistΗ ερευνητική ομάδα που ηγείται έχει επιδείξει με επιτυχία την τρισδιάστατη κατανομή εσωτερικής πόλωσης σε σιδηροηλεκτρικά νανοσωματίδια, ανοίγοντας το δρόμο για προηγμένες συσκευές μνήμης ικανές να αποθηκεύουν 10.000 φορές περισσότερα δεδομένα από τις τρέχουσες τεχνολογίες.

Τα υλικά που παραμένουν ανεξάρτητα μαγνητισμένα, χωρίς την ανάγκη εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, είναι γνωστά ως σιδηρομαγνήτες. Ομοίως, ο σιδηροηλεκτρισμός μπορεί να διατηρήσει την κατάσταση πόλωσης από μόνος του, χωρίς κανένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, ενεργώντας ως το ηλεκτρικό ισοδύναμο των σιδηρομαγνητών.

Είναι γνωστό ότι οι σιδηρομαγνήτες χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες όταν μειωθούν σε μεγέθη νανοκλίμακας κάτω από ένα ορισμένο όριο. Το τι συμβαίνει όταν τα σιδηροηλεκτρικά υλικά κατασκευάζονται πανομοιότυπα σε πολύ μικρό όγκο προς όλες τις κατευθύνσεις (δηλαδή σε μια αδιάστατη δομή όπως τα νανοσωματίδια) αποτελεί αντικείμενο συζήτησης εδώ και πολύ καιρό.

Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Youngsu Yang από το Τμήμα Φυσικής του KAUST, για πρώτη φορά, διευκρίνισε την κατανομή πόλωσης σε σχήμα δίνης 3D μέσα στα σιδηροηλεκτρικά νανοσωματίδια μέσω διεθνούς συνεργατικής έρευνας με τις POSTECH, SNU, KBSI και LBNL. Και το Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας.

Πριν από περίπου 20 χρόνια, ο καθηγητής Laurent Belich (τώρα στο Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας) και οι συνάδελφοί του προέβλεψαν θεωρητικά ότι μια μοναδική μορφή κατανομής πόλωσης, διατεταγμένη με τη μορφή σπειροειδούς δίνης, θα μπορούσε να εμφανιστεί μέσα σε σιδηροηλεκτρικές νανοκουκκίδες. Πρότειναν επίσης ότι εάν αυτή η κατανομή στροβιλισμού μπορούσε να ελεγχθεί σωστά, θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε συσκευές μνήμης υψηλής πυκνότητας με χωρητικότητες 10.000 φορές μεγαλύτερες από τις υπάρχουσες συσκευές. Ωστόσο, η πειραματική αποσαφήνιση δεν έχει επιτευχθεί λόγω της δυσκολίας μέτρησης της κατανομής της τρισδιάστατης πόλωσης εντός των σιδηροηλεκτρικών νανοδομών.

Προηγμένες τεχνικές στην ηλεκτρονική τομογραφία

Η ερευνητική ομάδα στο KAIST έχει λύσει αυτήν την πρόκληση 20 ετών εφαρμόζοντας μια τεχνική που ονομάζεται ατομική τομογραφία ηλεκτρονίων. Αυτή η τεχνολογία λειτουργεί με την απόκτηση εικόνων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης ατομικής ανάλυσης νανοϋλικών από πολλαπλές γωνίες κλίσης και στη συνέχεια ανακατασκευάζοντάς τα ξανά σε τρισδιάστατες δομές χρησιμοποιώντας προηγμένους αλγόριθμους ανακατασκευής. Η ηλεκτρονική τομογραφία μπορεί να γίνει κατανοητή ως η ίδια μέθοδος που χρησιμοποιείται στις αξονικές τομογραφίες που χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία για την προβολή των εσωτερικών οργάνων σε τρεις διαστάσεις. Η ομάδα KAIST το προσάρμοσε μοναδικά σε νανοϋλικά, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σε ένα μόνο δείγμα.καλαμπόκι επίπεδο.

Τρισδιάστατη κατανομή πόλωσης των νανοσωματιδίων BaTiO3 που αποκαλύφθηκε με ατομική τομογραφία ηλεκτρονίων. (Αριστερά) Σχηματική της τεχνικής ηλεκτρονικής τομογραφίας, η οποία περιλαμβάνει τη λήψη εικόνων ηλεκτρονικών μικροσκοπίων μετάδοσης σε πολλαπλές γωνίες κλίσης και την ανακατασκευή τους σε τρισδιάστατες ατομικές δομές. (Μεσαίο) Η κατανομή της τρισδιάστατης πόλωσης προσδιορίστηκε πειραματικά μέσα σε ένα νανοσωματίδιο BaTiO3 μέσω ατομικής τομογραφίας ηλεκτρονίων. Μια δομή που μοιάζει με δίνη είναι καθαρά ορατή κοντά στο κάτω μέρος (μπλε κουκκίδα). (Δεξιά) 2D διατομή της κατανομής πόλωσης, σε λεπτές φέτες στο κέντρο της δίνης και μαζί το χρώμα και τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση πόλωσης. Μπορεί να παρατηρηθεί μια ξεχωριστή δομή δίνης.

Χρησιμοποιώντας ατομική τομογραφία ηλεκτρονίων, η ομάδα μέτρησε τις θέσεις όλων των ατόμων κατιόντων μέσα σε νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου (BaTiO3), ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό, σε τρεις διαστάσεις. Με επακριβώς καθορισμένες τρισδιάστατες ατομικές διατάξεις, μπόρεσαν να υπολογίσουν περαιτέρω την τρισδιάστατη κατανομή εσωτερικής πόλωσης σε επίπεδο ενός ατόμου. Η ανάλυση της κατανομής πόλωσης αποκάλυψε, για πρώτη φορά πειραματικά, ότι οι διατάξεις τοπολογικής πόλωσης, συμπεριλαμβανομένων των στροβιλισμών, των αντιστροβιλισμών, των σκυρμιονίων και του σημείου Bloch, εμφανίζονται μέσα σε μηδενικές διαστάσεις σιδηροηλεκτρικά, όπως είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν από 20 χρόνια. Επιπλέον, έχει επίσης βρεθεί ότι ο αριθμός των εσωτερικών στροβίλων μπορεί να ελεγχθεί από τα μεγέθη τους.

Ο καθηγητής Sergei Brusandev και ο καθηγητής Belich (ο οποίος μαζί με άλλους συναδέλφους πρότειναν τη διάταξη πολικής δίνης θεωρητικά πριν από 20 χρόνια) συμμετείχαν σε αυτή τη συνεργασία και απέδειξαν επίσης ότι τα αποτελέσματα κατανομής δίνης που προέκυψαν από πειράματα συμφωνούν με τους θεωρητικούς υπολογισμούς.
Με τον έλεγχο του αριθμού και της κατεύθυνσης αυτών των κατανομών πόλωσης, αναμένεται ότι αυτό θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε συσκευές μνήμης υψηλής πυκνότητας επόμενης γενιάς που μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερες από 10.000 φορές περισσότερες πληροφορίες στην ίδια τη συσκευή σε σύγκριση με τις υπάρχουσες συσκευές.

Ο Δρ Yang, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας, εξήγησε τη σημασία των ευρημάτων, λέγοντας: «Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι μόνο ο έλεγχος του μεγέθους και του σχήματος των σιδηροηλεκτρικών υλικών, χωρίς την ανάγκη συντονισμού του υποστρώματος ή των περιβαλλοντικών επιρροών, όπως η επιταξιακή καταπόνηση, μπορεί να χειριστεί σιδηροηλεκτρικές δίνες ή άλλες τοπολογικές διευθετήσεις σε μεγάλη κλίμακα, η νανοτεχνολογία μπορεί στη συνέχεια να εφαρμόσει περαιτέρω έρευνα για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς εξαιρετικά πυκνής μνήμης.

Αναφορά: «Αποκάλυψη της τρισδιάστατης τάξης της πολικής τοπολογίας στα νανοσωματίδια» από τους Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich και Youngs Yang, 8 Μαΐου 2024, Επικοινωνίες για τη φύση.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Αυτή η μελέτη υποστηρίχθηκε κυρίως από επιχορηγήσεις του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών της Κορέας (NRF) που χρηματοδοτήθηκαν από την κυβέρνηση της Κορέας (MSIT).