Физичари откривају ‘3Д вртлог’ нул-димензионалне фероелектричности

Истраживачи са КАИСТ-а, у сарадњи са више институција, експериментално су потврдили дистрибуцију 3Д поларизације у облику вртлога унутар фотонапонских наночестица. Користећи атомску електронску томографију, мапирали су атомске позиције у наночестицама баријум титаната и израчунали дистрибуцију унутрашње поларизације. Ово откриће потврђује теоријска предвиђања направљена пре 20 година и садржи потенцијал за развој ултра густих меморијских уређаја.

а каистИстраживачки тим који води успешно је демонстрирао тродимензионалну унутрашњу дистрибуцију поларизације у фероелектричним наночестицама, утирући пут напредним меморијским уређајима који могу да складиште 10.000 пута више података од тренутних технологија.

Материјали који остају независно магнетизовани, без потребе за спољним магнетним пољем, познати су као феромагнети. Слично, фероелектрицитет може самостално да одржава стање поларизације, без икаквог спољашњег електричног поља, делујући као електрични еквивалент феромагнета.

Познато је да феромагнети губе своја магнетна својства када се смање на наноразмере испод одређеног прага. Шта се дешава када се фероелектрични материјали праве идентично у веома малој запремини у свим правцима (тј. у бездимензионалној структури као што су наночестице) дуго је било предмет контроверзе.

Истраживачки тим на челу са др Иоунгсу Ианг са Одељења за физику на КАУСТ-у је по први пут разјаснио 3Д расподелу поларизације у облику вртлога унутар фероелектричних наночестица кроз међународна колаборативно истраживање са ПОСТЕЦХ, СНУ, КБСИ и ЛБНЛ. И Универзитет у Арканзасу.

Пре око 20 година, професор Лаурент Белицх (сада на Универзитету у Арканзасу) и његове колеге су теоретски предвидели да би се унутар фероелектричних нанотачка могао појавити јединствени облик расподеле поларизације, распоређен у облику тороидног вртлога. Такође су предложили да ако се ова дистрибуција вртлога може правилно контролисати, она би се могла применити на меморијске уређаје високе густине са капацитетима 10.000 пута већим од постојећих уређаја. Међутим, експериментално појашњење није постигнуто због потешкоћа у мерењу дистрибуције 3Д поларизације унутар фероелектричних наноструктура.

Напредне технике у електронској томографији

Истраживачки тим у КАИСТ-у решио је овај 20-годишњи изазов применом технике која се зове атомска електронска томографија. Ова технологија функционише тако што добија слике наноматеријала са трансмисионим електронским микроскопом у атомској резолуцији из више углова нагиба, а затим их реконструише назад у 3Д структуре користећи напредне алгоритаме реконструкције. Електронска томографија се може схватити као исти метод који се користи у ЦТ скенирању који се користи у болницама за преглед унутрашњих органа у три димензије; КАИСТ тим га је јединствено прилагодио наноматеријалима, користећи електронску микроскопију на једном узорку.кукуруза ниво.

Тродимензионална поларизација наночестица БаТиО3 откривена атомском електронском томографијом. (Лево) Шема технике електронске томографије, која укључује добијање трансмисионих слика електронским микроскопом под више углова нагиба и њихову реконструкцију у 3Д атомске структуре. (Средина) Расподела 3Д поларизације је експериментално одређена унутар наночестице БаТиО3 путем атомске електронске томографије. При дну је јасно видљива структура налик вртлогу (плава тачка). (Десно) 2Д попречни пресек расподеле поларизације, танко исечен у центру вртлога, а заједно боја и стрелице указују на смер поларизације. Може се уочити изразита структура вртлога.

Користећи атомску електронску томографију, тим је измерио положаје целих атома катјона унутар наночестица баријум титаната (БаТиО3), фероелектричног материјала, у три димензије. Са прецизно дефинисаним 3Д атомским аранжманима, били су у могућности да даље израчунају 3Д дистрибуцију унутрашње поларизације на нивоу једног атома. Анализа расподеле поларизације открила је, по први пут експериментално, да се тополошки поларизациони аранжмани, укључујући вртлоге, антивортексе, скирмионе и Блохову тачку, јављају унутар нулто-димензионалних фероелектрика, као што је теоретски предвиђено пре 20 година. Штавише, такође је откривено да се број унутрашњих вртлога може контролисати њиховим величинама.

Професор Сергеј Брусандев и професор Белич (који су заједно са другим колегама теоретски предложили распоред поларног вртлога пре 20 година) придружили су се овој сарадњи и такође показали да се резултати расподеле вртлога добијени експериментима слажу са теоријским прорачунима.
Контролисањем броја и правца ових поларизационих дистрибуција, очекује се да би се то могло искористити у меморијским уређајима високе густине следеће генерације који могу да складиште више од 10.000 пута већу количину информација у самом уређају у поређењу са постојећим уређајима.

Др Јанг, који је водио истраживање, објаснио је значај налаза, рекавши: „Овај резултат указује на то да контрола величине и облика фероелектричних материјала сама, без потребе за подешавањем супстрата или околних утицаја из околине, као што је епитаксијални стрес, може манипулисати фероелектрични вртлози или други тополошки аранжмани у великој мери.” Нанотехнологија тада може применити даља истраживања на развој следеће генерације ултра густе меморије.

Референца: „Откривање тродимензионалног поретка поларне топологије у наночестицама“ од Цхихва Јеонг, Јоо Хиук Лее, Хиесунг Јо, Јаиохан Ох, Хиунсук Баек, Киунг Јоон Јо, Јунвоо Сон, Се Иоунг Цхои, Сергеи Брусандев, Лаурент Белицх и Иоунгсоо Јанг, 8. мај 2024. Натуре Цоммуницатионс.
дои: 10.1038/с41467-024-48082-к

Ова студија је углавном подржана грантовима Националне истраживачке фондације Кореје (НРФ) које је финансирала корејска влада (МСИТ).