Решена загадка 20-летней давности: найден трехмерный вихрь в сегнетоэлектриках

Материалы, способные сохранять намагниченное состояние без внешнего магнитного поля, называются ферромагнетиками. Ферроэлектрики являются их электрическим аналогом, так как могут сохранять поляризованное состояние без внешнего электрического поля.

Известно, что ферромагнетики теряют свои магнитные свойства при уменьшении до наномасштабов. Вопрос о том, что происходит с ферроэлектриками при подобном уменьшении размеров, долгое время оставался спорным.

Исследовательская группа под руководством доктора Йонгсу Яна из кафедры физики KAIST впервые экспериментально прояснила трехмерное, вихревое распределение поляризации внутри ферроэлектрических наночастиц в ходе международного сотрудничества с POSTECH, SNU, KBSI, LBNL и Университетом Арканзаса.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications в статье «Раскрытие трехмерного расположения полярной топологии в наночастицах».

Примерно 20 лет назад профессор Лоран Беллеш (в настоящее время в Университете Арканзаса) и его коллеги теоретически предсказали, что внутри ферроэлектрических наночастиц может возникнуть уникальная форма распределения поляризации в виде тороидального вихря. Они также предположили, что если удастся контролировать это распределение, то можно будет создать устройства памяти ультравысокой плотности с емкостью более чем в 10 000 раз превышающей существующие.

Однако экспериментальное подтверждение этой теории не удавалось получить из-за сложности измерения трехмерного распределения поляризации в ферроэлектрических наноструктурах. Исследовательская группа KAIST решила эту задачу с помощью техники атомной электронной томографии.

Эта техника работает путем получения изображений наноматериалов с атомным разрешением с разных углов наклона, а затем реконструирования их в трехмерные структуры с использованием продвинутых алгоритмов реконструкции.

Атомная электронная томография , по сути, аналогична методам компьютерной томографии, используемым в медицине для трехмерного отображения внутренних органов. Команда KAIST адаптировала ее для исследования наноматериалов на уровне отдельных атомов.

С помощью атомной электронной томографии исследователи полностью измерили положение катионных атомов внутри наночастиц титаната бария (BaTiO3), известного ферроэлектрического материала, в трех измерениях. Из точно определенных трехмерных атомных структур они смогли вычислить внутреннее трехмерное распределение поляризации на уровне отдельных атомов.

Анализ распределения поляризации впервые экспериментально подтвердил наличие топологических упорядочений, таких как вихри, анти-вихри, скирмионы и точка Блоха внутри нульмерных ферроэлектриков, как это было предсказано теоретически 20 лет назад. Более того, было установлено, что количество внутренних вихрей можно контролировать в зависимости от их размеров.

Профессор Сергей Просандев и профессор Беллеш, которые теоретически предсказали полярное вихревое упорядочение 20 лет назад, присоединились к этому исследованию и подтвердили, что экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами.

Благодаря возможности точно управлять количеством и ориентацией распределений поляризации, ожидается, что эти инновационные материалы станут основой для создания устройств хранения данных нового поколения с беспрецедентно высокой плотностью записи. Используя передовые достижения в области наноматериалов, такие устройства смогут вместить более чем в 10 000 раз больше информации в том же объеме по сравнению с существующими решениями для хранения данных.

Это открытие не только позволит значительно расширить возможности для хранения растущих объемов цифровых данных, но и может привести к кардинальным изменениям в области компьютерных технологий и систем обработки информации. Миниатюрные, сверхемкие устройства хранения данных откроют путь к созданию более компактных, энергоэффективных и производительных вычислительных систем, тем самым стимулируя дальнейший технологический прогресс.

Коммерциализация этих перспективных материалов может стать подлинной революцией в области хранения и обработки данных, обеспечив экспоненциальный рост емкости накопителей при сохранении компактных размеров.