Fiziķi atklāj nulles dimensiju feroelektriķu “trīsdimensiju virpuli” | Huepaintco

SciTechDaily

KAIST pētnieki sadarbībā ar vairākām iestādēm ir eksperimentāli apstiprinājuši trīsdimensiju virpuļveida polarizācijas sadalījumu feroelektrisko nanodaļiņu iekšpusē. Izmantojot atomu elektronu tomogrāfiju, viņi kartēja atomu pozīcijas bārija titanāta nanodaļiņās un aprēķināja iekšējās polarizācijas sadalījumu. Šis atklājums apstiprina teorētiskās prognozes, kas veiktas pirms 20 gadiem, un tajā ir potenciāls īpaši augsta blīvuma atmiņas ierīču attīstībai.

VIENS KAISTvadītā pētnieku grupa ir veiksmīgi demonstrējusi iekšējo trīsdimensiju polarizācijas sadalījumu feroelektriskajās nanodaļiņās, paverot ceļu progresīvām atmiņas ierīcēm, kas spēj uzglabāt vairāk nekā 10 000 reižu vairāk datu nekā pašreizējās tehnoloģijas.

Materiālus, kas paliek magnetizēti neatkarīgi, bez nepieciešamības izveidot ārēju magnētisko lauku, sauc par feromagnētiem. Līdzīgi feroelektriķi var patstāvīgi uzturēt polarizētu stāvokli bez jebkāda ārēja elektriskā lauka, kas kalpo kā feromagnētu elektriskais ekvivalents.

Ir labi zināms, ka feromagnēti zaudē savas magnētiskās īpašības, ja tos samazina līdz nanoizmēram zem noteikta sliekšņa. Tas, kas notiek, ja feroelektriķi līdzīgi tiek padarīti ārkārtīgi mazi visos virzienos (ti, nulles dimensijas struktūrā, piemēram, nanodaļiņās), ir bijis strīdīgs temats jau ilgu laiku.

Pētnieku grupa, kuru vadīja Dr. Yongsoo Yang no KAIST Fizikas katedras pirmo reizi eksperimentāli ir noskaidrojis trīsdimensiju, virpuļveida polarizācijas sadalījumu feroelektrisko nanodaļiņu iekšienē, sadarbojoties starptautiskās pētniecības jomā ar POSTECH, SNU, KBSI, LBNL un Arkanzasas Universitāti.

Apmēram pirms 20 gadiem profesors Laurent Bellaiche (pašlaik Arkanzasas Universitātē) un viņa kolēģi teorētiski paredzēja, ka feroelektrisko nanodotu iekšpusē varētu rasties unikāla polarizācijas sadalījuma forma, kas sakārtota toroidālā virpuļa formā. Viņi arī ierosināja, ka, ja šo virpuļu sadalījumu varētu pareizi kontrolēt, to varētu izmantot īpaši augsta blīvuma atmiņas ierīcēm, kuru ietilpība ir vairāk nekā 10 000 reižu lielāka nekā esošajām. Tomēr eksperimentāls skaidrojums netika sasniegts, jo bija grūti izmērīt trīsdimensiju polarizācijas sadalījumu feroelektriskajās nanostruktūrās.

Uzlabotas metodes elektronu tomogrāfijā

KAIST pētnieku komanda veiksmīgi atrisināja šo 20 gadus veco izaicinājumu, ieviešot paņēmienu, ko sauc par atomu elektronu tomogrāfiju. Šī metode darbojas, iegūstot nanomateriālu atomu izšķirtspējas pārraides elektronu mikroskopa attēlus no vairākiem slīpuma leņķiem un pēc tam rekonstruējot tos atpakaļ trīsdimensiju struktūrās, izmantojot uzlabotus rekonstrukcijas algoritmus. Elektronu tomogrāfiju būtībā var saprast kā tādu pašu metodi ar CT skenēšanu, ko izmanto slimnīcās, lai redzētu iekšējos orgānus trīs dimensijās; KAIST komanda to unikāli pielāgoja nanomateriāliem, izmantojot elektronu mikroskopu uz viena materiāla.atoms līmenī.

BaTiO3 nanodaļiņu trīsdimensiju polarizācijas sadalījums, ko atklāj atomu elektronu tomogrāfija

Atomu elektronu tomogrāfijā atklātais BaTiO3 nanodaļiņu trīsdimensiju polarizācijas sadalījums. (Pa kreisi) Elektronu tomogrāfijas tehnikas shēma, kas ietver pārraides elektronu mikroskopa attēlu iegūšanu vairākos slīpuma leņķos un to rekonstrukciju 3D atomu struktūrās. (Centrs) Eksperimentāli noteikts trīsdimensiju polarizācijas sadalījums BaTiO3 nanodaļiņā, izmantojot atomu elektronu tomogrāfiju. Netālu no apakšas ir skaidri redzama virpuļveida struktūra (zils punkts). (Pa labi) Divdimensiju polarizācijas sadalījuma šķērsgriezums plānās šķēlēs virpuļa centrā, kur krāsa un bultiņas kopā norāda polarizācijas virzienu. Var novērot skaidru virpuļveida struktūru.

Izmantojot atomu elektronu tomogrāfiju, komanda pilnībā izmērīja katjonu atomu pozīcijas bārija titanāta (BaTiO3) nanodaļiņās, kas ir labi zināms feroelektriskais materiāls, trīs dimensijās. No precīzi noteiktajiem 3D atomu izkārtojumiem viņi varēja tālāk aprēķināt iekšējo trīsdimensiju polarizācijas sadalījumu viena atoma līmenī. Polarizācijas sadalījuma analīze pirmo reizi eksperimentāli atklāja, ka topoloģiskās polarizācijas shēmas, tostarp virpuļi, pretvirpuļi, skyrmions un Bloha punkts, rodas 0-dimensiju feroelektriskajā elektronikā, kā teorētiski tika prognozēts pirms 20 gadiem. Turklāt tika arī konstatēts, ka iekšējo virpuļu skaitu var kontrolēt atkarībā no to lieluma.

Prof. Sergejs Prosandejevs un prof. Bellaiche (kurš ar citiem līdzstrādniekiem teorētiski ierosināja polāro virpuļu kārtību pirms 20 gadiem) pievienojās šai sadarbībai un pierādīja, ka eksperimentos iegūtie virpuļu sadalījuma rezultāti sakrīt ar teorētiskajiem aprēķiniem.
Sagaidāms, ka, kontrolējot šo polarizācijas sadalījumu skaitu un orientāciju, to varēs izmantot nākamās paaudzes augsta blīvuma atmiņas ierīcēs, kas spēj uzglabāt vairāk nekā 10 000 reižu lielāku informācijas apjomu tāda paša izmēra ierīcē, salīdzinot ar esošajām. .

Dr. Jangs, kurš vadīja pētījumu, paskaidroja atklājumu nozīmi: “Šis rezultāts liecina, ka tikai feroelektrisko komponentu izmēra un formas kontrole, bez nepieciešamības pielāgot substrātu vai apkārtējās vides ietekmi, piemēram, epitaksiālo deformāciju, var manipulēt ar feroelektriskajiem virpuļiem vai Citas nanomēroga topoloģiskās kārtas var tikt izmantotas nākamās paaudzes īpaši augsta blīvuma atmiņas attīstībai.

Atsauce: “Polārās topoloģijas trīsdimensiju izkārtojuma atklāšana nanodaļiņās”, autors: Chaehwa Jeong, Juhyeok Lee, Hyesung Jo, Jaewhan Oh, Hionsuck Baik, Kyoung-June Go, Junwoo Son, Si-Young Choi, Sergejs Prosandejevs, Laurent Bellaiche un Yongsoo Yang, 2024. gada 8. maijs, Dabas komunikācija.
DOI: 10.1038/s41467-024-48082-x

Pētījumu galvenokārt atbalstīja Korejas Nacionālā pētniecības fonda (NRF) dotācijas, ko finansēja Korejas valdība (MSIT).

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *