Fizicienii dezvăluie „vortexul 3D” al feroelectricității cu dimensiuni zero

Cercetătorii de la KAIST, în colaborare cu mai multe instituții, au confirmat experimental distribuția de polarizare 3D în formă de vortex în interiorul nanoparticulelor fotovoltaice. Folosind tomografia atomică cu electroni, au cartografiat pozițiile atomice în nanoparticulele de titanat de bariu și au calculat distribuția internă a polarizării. Această descoperire confirmă predicțiile teoretice făcute acum 20 de ani și deține potențialul de dezvoltare a dispozitivelor de memorie ultra-densă.

A kaistEchipa de cercetare pe care o conduce a demonstrat cu succes distribuția tridimensională a polarizării interne în nanoparticulele feroelectrice, deschizând calea pentru dispozitive de memorie avansate capabile să stocheze de 10.000 de ori mai multe date decât tehnologiile actuale.

Materialele care rămân magnetizate independent, fără a fi nevoie de un câmp magnetic extern, sunt cunoscute ca feromagneți. De asemenea, feroelectricitatea poate menține o stare de polarizare de la sine, fără niciun câmp electric extern, acționând ca echivalentul electric al feromagneților.

Se știe că feromagneții își pierd proprietățile magnetice atunci când sunt reduse la dimensiuni nanometrice sub un anumit prag. Ce se întâmplă atunci când materialele feroelectrice sunt fabricate identic într-un volum foarte mic în toate direcțiile (adică într-o structură fără dimensiuni precum nanoparticulele) a fost un subiect de dezbatere pentru o lungă perioadă de timp.

Echipa de cercetare condusă de Dr. Youngsu Yang de la Departamentul de Fizică de la KAUST a elucidat, pentru prima dată, distribuția polarizării în formă de vortex 3D în interiorul nanoparticulelor feroelectrice prin cercetări internaționale în colaborare cu POSTECH, SNU, KBSI și LBNL. Și Universitatea din Arkansas.

În urmă cu aproximativ 20 de ani, profesorul Laurent Belich (acum la Universitatea din Arkansas) și colegii săi au prezis teoretic că o formă unică de distribuție a polarizării, aranjată sub forma unui vortex toroidal, ar putea apărea în interiorul nanodoturilor feroelectrice. Ei au sugerat, de asemenea, că, dacă această distribuție vortex ar putea fi controlată corespunzător, ar putea fi aplicată dispozitivelor de memorie de înaltă densitate cu capacități de 10.000 de ori mai mari decât dispozitivele existente. Cu toate acestea, clarificarea experimentală nu a fost realizată din cauza dificultății de măsurare a distribuției de polarizare 3D în cadrul nanostructurilor feroelectrice.

Tehnici avansate în tomografia electronică

Echipa de cercetare de la KAIST a rezolvat această provocare veche de 20 de ani prin implementarea unei tehnici numite tomografie electronică atomică. Această tehnologie funcționează prin achiziționarea de imagini la microscopul electronic de transmisie cu rezoluție atomică ale nanomaterialelor din mai multe unghiuri de înclinare, apoi reconstruindu-le înapoi în structuri 3D folosind algoritmi avansați de reconstrucție. Tomografia electronică poate fi înțeleasă ca aceeași metodă folosită în scanările CT utilizate în spitale pentru a vizualiza organele interne în trei dimensiuni; Echipa KAIST l-a adaptat în mod unic la nanomateriale, folosind microscopia electronică pe o singură probă.porumb nivel.

Distribuția de polarizare tridimensională a nanoparticulelor de BaTiO3 evidențiată prin tomografia atomică cu electroni. (Stânga) Schemă a tehnicii de tomografie electronică, care implică obținerea de imagini cu microscopul electronic de transmisie la mai multe unghiuri de înclinare și reconstruirea lor în structuri atomice 3D. (Mijloc) Distribuția de polarizare 3D a fost determinată experimental în interiorul unei nanoparticule BaTiO3 prin tomografie electronică atomică. O structură asemănătoare unui vortex este clar vizibilă în partea de jos (punct albastru). (Dreapta) Secțiune transversală 2D a distribuției de polarizare, tăiată subțire în centrul vortexului, iar împreună culoarea și săgețile indică direcția de polarizare. Se poate observa o structură de vortex distinctă.

Folosind tomografia atomică cu electroni, echipa a măsurat pozițiile întregilor atomi de cationi din nanoparticulele de titanat de bariu (BaTiO3), un material feroelectric, în trei dimensiuni. Cu aranjamente atomice 3D definite cu precizie, aceștia au putut calcula în continuare distribuția de polarizare internă 3D la nivelul unui singur atom. Analiza distribuției de polarizare a dezvăluit, pentru prima dată experimental, că aranjamentele de polarizare topologică, inclusiv vârtejuri, antivortexuri, skyrmioni și punctul Bloch, au loc în interiorul feroelectricilor cu dimensiuni zero, așa cum s-a prezis teoretic acum 20 de ani. Mai mult, s-a constatat, de asemenea, că numărul de vârtejuri interne poate fi controlat de dimensiunile lor.

Profesorul Serghei Brusandev și profesorul Belich (care împreună cu alți colegi au propus teoretic aranjamentul vortexului polar în urmă cu 20 de ani) s-au alăturat acestei colaborări și au demonstrat, de asemenea, că rezultatele distribuției vortexului obținute în urma experimentelor sunt de acord cu calculele teoretice.
Prin controlul numărului și direcției acestor distribuții de polarizare, este de așteptat ca acest lucru să poată fi valorificat în dispozitivele de memorie de înaltă generație de înaltă generație, care pot stoca de peste 10.000 de ori cantitatea de informații din dispozitivul în sine, comparativ cu dispozitivele existente.

Dr. Yang, care a condus cercetarea, a explicat semnificația descoperirilor: „Acest rezultat sugerează că doar controlul dimensiunii și formei materialelor feroelectrice, fără a fi nevoie de reglarea substratului sau a influențelor mediului înconjurător, cum ar fi stresul epitaxial, poate manipula vortexurile feroelectrice. sau alte aranjamente topologice la scară nanometrică.” Mai multe cercetări pot fi apoi aplicate pentru dezvoltarea următoarei generații de memorie ultra-densă.

Referință: „Dezvăluirea ordinii tridimensionale a topologiei polare în nanoparticule” de Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich și Youngsoo Yang, 8 mai 2024, Comunicarea naturii.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Acest studiu a fost susținut în principal de granturile Fundației Naționale de Cercetare din Coreea (NRF) finanțate de guvernul coreean (MSIT).