Los físicos revelan un 'vórtice tridimensional' de ferroeléctricos de dimensión cero

Los investigadores de KAIST, en colaboración con múltiples instituciones, han confirmado experimentalmente la distribución de polarización tridimensional en forma de vórtice dentro de las nanopartículas ferroeléctricas. Utilizando tomografía electrónica atómica, mapearon las posiciones atómicas en las nanopartículas de titanato de bario y calcularon la distribución de polarización interna. Este descubrimiento confirma las predicciones teóricas hechas hace 20 años y tiene potencial para el desarrollo de dispositivos de memoria de densidad ultraalta.

A kaistUn equipo de investigación liderado por este equipo ha demostrado con éxito la distribución de la polarización interna tridimensional en nanopartículas ferroeléctricas, allanando el camino para dispositivos de memoria avanzados capaces de almacenar más de 10.000 veces más datos que las tecnologías actuales.

Los materiales que permanecen magnetizados de forma independiente, sin necesidad de un campo magnético externo, se conocen como ferroimanes. Asimismo, los ferroeléctricos pueden mantener un estado polarizado por sí solos, sin ningún campo eléctrico externo, sirviendo como un equivalente eléctrico de los ferroimanes.

Se sabe que los ferromagnetos pierden sus propiedades magnéticas cuando se reducen a un tamaño nanométrico por debajo de cierto umbral. Lo que sucede cuando los materiales ferroeléctricos se hacen extremadamente pequeños en todas las direcciones (es decir, en una estructura de dimensión cero como las nanopartículas) ha sido un tema controvertido durante mucho tiempo.

El equipo de investigación dirigido por el Dr. Yongsoo Yang del Departamento de Física de KAIST ha dilucidado, por primera vez, experimentalmente la distribución de polarización tridimensional en forma de vórtice dentro de nanopartículas ferroeléctricas a través de una investigación colaborativa internacional con POSTECH, SNU, KBSI, LBNL y la Universidad de Arkansas.

Hace unos 20 años, el profesor Laurent Bellaiche (actualmente en la Universidad de Arkansas) y sus colegas predijeron teóricamente que una forma única de distribución de polarización, dispuesta en forma de vórtice toroidal, podría ocurrir dentro de los nanopuntos ferroeléctricos. También sugirieron que si esta distribución de vórtices pudiera controlarse adecuadamente, podría aplicarse a dispositivos de memoria de densidad ultraalta con capacidades 10.000 veces mayores que las existentes. Sin embargo, no se ha logrado una aclaración experimental debido a la dificultad de medir la distribución de polarización tridimensional dentro de nanoestructuras ferroeléctricas.

Técnicas avanzadas de tomografía electrónica.

El equipo de investigación de KAIST resolvió con éxito este desafío de 20 años implementando una técnica llamada tomografía electrónica atómica. Esta técnica funciona adquiriendo imágenes de nanomateriales mediante microscopio electrónico de transmisión con resolución atómica desde múltiples ángulos de inclinación y luego reconstruyéndolas en estructuras tridimensionales utilizando algoritmos de reconstrucción avanzados. La tomografía electrónica puede entenderse esencialmente como el mismo método que las tomografías computarizadas utilizadas en los hospitales para ver los órganos internos en tres dimensiones; El equipo de KAIST lo adaptó exclusivamente para nanomateriales, utilizando un microscopio electrónico de un solo nivel.átomo nivel.

Distribución de polarización tridimensional de nanopartículas de BaTiO3 revelada por tomografía electrónica atómica. (Izquierda) Esquema de la técnica de tomografía electrónica, que implica la adquisición de imágenes de microscopio electrónico de transmisión con múltiples ángulos de inclinación y su reconstrucción en estructuras atómicas 3D. (Centro) Distribución de polarización tridimensional determinada experimentalmente dentro de una nanopartícula de BaTiO3 mediante tomografía electrónica atómica. Cerca de la parte inferior se ve claramente una estructura similar a un vórtice (punto azul). (Derecha) Una sección transversal bidimensional de la distribución de polarización, finamente recortada en el centro del vórtice, con el color y las flechas juntas indicando la dirección de polarización. Se puede observar una estructura de vórtice distinta.

Utilizando tomografía electrónica atómica, el equipo midió las posiciones de los átomos catiónicos dentro de nanopartículas de titanato de bario (BaTiO3), un conocido material ferroeléctrico, en tres dimensiones completas. A partir de las disposiciones atómicas tridimensionales determinadas con precisión, pudieron calcular aún más la distribución de polarización tridimensional interna a nivel de un solo átomo. El análisis de la distribución de polarización reveló, por primera vez de forma experimental, que los ordenamientos de polarización topológica que incluyen vórtices, antivórtices, skyrmions y un punto de Bloch ocurren dentro de ferroeléctricos de dimensión 0, como se predijo teóricamente hace 20 años. Además, también se descubrió que el número de vórtices internos se puede controlar en función de su tamaño.

El Prof. Sergey Prosandeev y el Prof. Bellaiche (quien junto con otros colaboradores propusieron teóricamente el orden de los vórtices polares hace 20 años), se unieron a esta colaboración y demostraron además que los resultados de la distribución de los vórtices obtenidos de los experimentos son consistentes con los cálculos teóricos.
Al controlar el número y la orientación de estas distribuciones de sesgo, se espera que puedan usarse en dispositivos de memoria de alta densidad de próxima generación capaces de almacenar más de 10.000 veces la cantidad de información en un dispositivo del mismo tamaño en comparación con los existentes. .

El Dr. Yang, que dirigió la investigación, explicó la importancia de los hallazgos: «Este resultado sugiere que controlar únicamente el tamaño y la forma de los ferroeléctricos, sin necesidad de ajustar el sustrato o los efectos ambientales circundantes, como la deformación epitaxial, puede manipular los vórtices ferroeléctricos u otros Ordenamientos topológicos a nanoescala. Por lo tanto, se podrían aplicar más investigaciones al desarrollo de memorias de densidad ultraalta de próxima generación».

Referencia: “Revelando la disposición tridimensional de la topología polar en nanopartículas” por Chaehwa Jeong, Juhyeok Lee, Hyesung Jo, Jaewhan Oh, Hionsuck Baik, Kyoung-June Go, Junwoo Son, Si-Young Choi, Sergey Prosandeev, Laurent Bellaiche y Yongsoo Yang, 8 de mayo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48082-x

El estudio fue financiado principalmente por subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT).