Физики обнаружили «3D-вихрь» нульмерного сегнетоэлектричества

Исследователи из KAIST в сотрудничестве с несколькими учреждениями экспериментально подтвердили вихревое трехмерное распределение поляризации внутри фотоэлектрических наночастиц. Используя атомно-электронную томографию, они нанесли на карту положения атомов в наночастицах титаната бария и рассчитали распределение внутренней поляризации. Это открытие подтверждает теоретические предсказания, сделанные 20 лет назад, и открывает потенциал для разработки устройств сверхплотной памяти.

а кайстИсследовательская группа, которую он возглавляет, успешно продемонстрировала трехмерное распределение внутренней поляризации в сегнетоэлектрических наночастицах, проложив путь к созданию современных устройств памяти, способных хранить в 10 000 раз больше данных, чем современные технологии.

Материалы, которые остаются намагниченными независимо, без необходимости внешнего магнитного поля, известны как ферромагнетики. Точно так же сегнетоэлектричество может поддерживать состояние поляризации само по себе, без какого-либо внешнего электрического поля, действуя как электрический эквивалент ферромагнетиков.

Известно, что ферромагнетики теряют свои магнитные свойства при уменьшении до наноразмеров ниже определенного порога. Что происходит, когда сегнетоэлектрические материалы производятся одинаково в очень небольшом объеме во всех направлениях (то есть в виде безразмерной структуры, такой как наночастицы), долгое время было предметом споров.

Исследовательская группа под руководством доктора Янгсу Янга из факультета физики KAUST впервые выяснила трехмерное вихревое распределение поляризации внутри сегнетоэлектрических наночастиц посредством международных совместных исследований с POSTECH, SNU, KBSI и LBNL. И Университет Арканзаса.

Около 20 лет назад профессор Лоран Белич (сейчас работает в Университете Арканзаса) и его коллеги теоретически предсказали, что внутри сегнетоэлектрических наноточек может возникать уникальная форма распределения поляризации, организованная в виде тороидального вихря. Они также предположили, что если этим распределением вихрей можно будет должным образом управлять, его можно будет применить к устройствам памяти высокой плотности с емкостью в 10 000 раз большей, чем у существующих устройств. Однако экспериментальное разъяснение не было достигнуто из-за сложности измерения трехмерного распределения поляризации внутри сегнетоэлектрических наноструктур.

Передовые методы электронной томографии

Исследовательская группа KAIST решила эту 20-летнюю проблему, внедрив метод, называемый атомно-электронной томографией. Эта технология работает путем получения изображений наноматериалов с просвечивающим электронным микроскопом с атомным разрешением под разными углами наклона, а затем реконструирует их обратно в трехмерные структуры с использованием передовых алгоритмов реконструкции. Электронную томографию можно понимать как тот же метод, который используется при компьютерной томографии, используемой в больницах для просмотра внутренних органов в трех измерениях; Команда KAIST уникальным образом адаптировала его к наноматериалам, используя электронную микроскопию одного образца.кукуруза уровень.

Трехмерное поляризационное распределение наночастиц BaTiO3, выявленное методом атомно-электронной томографии. (Слева) Схема метода электронной томографии, который включает получение изображений просвечивающего электронного микроскопа под разными углами наклона и реконструкцию их в трехмерные атомные структуры. (В центре) Трехмерное распределение поляризации было экспериментально определено внутри наночастицы BaTiO3 с помощью атомно-электронной томографии. Вблизи дна отчетливо видна вихревая структура (синяя точка). (Справа) 2D-сечение распределения поляризации, тонко нарезанное в центре вихря, вместе цвет и стрелки указывают направление поляризации. Наблюдается отчетливая вихревая структура.

Используя атомно-электронную томографию, команда измерила положения всех катионных атомов внутри наночастиц титаната бария (BaTiO3), сегнетоэлектрического материала, в трех измерениях. Благодаря точно определенному трехмерному расположению атомов они смогли дополнительно рассчитать трехмерное распределение внутренней поляризации на уровне одного атома. Анализ распределения поляризации впервые экспериментально показал, что топологические структуры поляризации, включая вихри, антивихри, скирмионы и точку Блоха, возникают внутри нульмерных сегнетоэлектриков, как было предсказано теоретически 20 лет назад. Более того, также обнаружено, что числом внутренних вихрей можно управлять их размерами.

Профессор Сергей Брусандев и профессор Белич (которые вместе с другими коллегами теоретически предложили устройство полярных вихрей 20 лет назад) присоединились к этому сотрудничеству и также продемонстрировали, что результаты распределения вихрей, полученные в ходе экспериментов, согласуются с теоретическими расчетами.
Ожидается, что, контролируя количество и направление этих распределений поляризации, это можно будет использовать в устройствах памяти с высокой плотностью записи следующего поколения, которые смогут хранить в самом устройстве более чем в 10 000 раз больше информации по сравнению с существующими устройствами.

Доктор Янг, возглавлявший исследование, объяснил значимость полученных результатов: «Этот результат предполагает, что управление размером и формой сегнетоэлектрических материалов само по себе, без необходимости настройки подложки или влияния окружающей среды, такого как эпитаксиальное напряжение, может манипулировать сегнетоэлектрическими вихрями. или другие топологические механизмы на наноуровне». Дальнейшие исследования могут быть применены для разработки следующего поколения сверхплотной памяти.

Ссылка: «Выявление трехмерного порядка полярной топологии в наночастицах» Чихва Чжон, Джу Хёк Ли, Хесон Джо, Джайохан О, Хён Сок Пэк, Кён Джун Джо, Джуну Сон, Се Ён Чхве, Сергей Брусандев, Лоран Белич и Ён Су Ян, 8 мая 2024 г., Природные коммуникации.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Это исследование в основном поддерживалось грантами Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемыми правительством Кореи (MSIT).