I fisici rivelano il “vortice 3D” della ferroelettricità a dimensione zero

I ricercatori del KAIST, in collaborazione con molteplici istituzioni, hanno confermato sperimentalmente la distribuzione della polarizzazione 3D a forma di vortice all’interno delle nanoparticelle fotovoltaiche. Utilizzando la tomografia elettronica atomica, hanno mappato le posizioni atomiche nelle nanoparticelle di titanato di bario e calcolato la distribuzione della polarizzazione interna. Questa scoperta conferma le previsioni teoriche fatte 20 anni fa e racchiude il potenziale per lo sviluppo di dispositivi di memoria ultra-densi.

UN kaistIl gruppo di ricerca da lui guidato ha dimostrato con successo la distribuzione tridimensionale della polarizzazione interna nelle nanoparticelle ferroelettriche, aprendo la strada a dispositivi di memoria avanzati in grado di archiviare 10.000 volte più dati rispetto alle tecnologie attuali.

I materiali che rimangono magnetizzati in modo indipendente, senza la necessità di un campo magnetico esterno, sono noti come ferromagneti. Allo stesso modo, la ferroelettricità può mantenere da sola uno stato di polarizzazione, senza alcun campo elettrico esterno, agendo come l’equivalente elettrico dei ferromagneti.

È noto che i ferromagneti perdono le loro proprietà magnetiche quando vengono ridotti a dimensioni nanometriche al di sotto di una certa soglia. Cosa succede quando i materiali ferroelettrici sono realizzati in modo identico in un volume molto piccolo in tutte le direzioni (cioè in una struttura adimensionale come le nanoparticelle) è stato oggetto di dibattito per molto tempo.

Il gruppo di ricerca guidato dal Dr. Youngsu Yang del Dipartimento di Fisica di KAUST ha, per la prima volta, chiarito la distribuzione della polarizzazione a forma di vortice 3D all’interno delle nanoparticelle ferroelettriche attraverso la ricerca collaborativa internazionale con POSTECH, SNU, KBSI e LBNL. E l’Università dell’Arkansas.

Circa 20 anni fa, il professor Laurent Belich (ora presso l’Università dell’Arkansas) e i suoi colleghi hanno teoricamente previsto che una forma unica di distribuzione della polarizzazione, organizzata sotto forma di un vortice toroidale, potrebbe verificarsi all’interno dei nanopunti ferroelettrici. Hanno inoltre suggerito che, se questa distribuzione dei vortici potesse essere adeguatamente controllata, potrebbe essere applicata a dispositivi di memoria ad alta densità con capacità 10.000 volte maggiori rispetto ai dispositivi esistenti. Tuttavia, non è stato raggiunto un chiarimento sperimentale a causa della difficoltà di misurare la distribuzione della polarizzazione 3D all’interno delle nanostrutture ferroelettriche.

Tecniche avanzate di tomografia elettronica

Il gruppo di ricerca del KAIST ha risolto questa sfida ventennale implementando una tecnica chiamata tomografia elettronica atomica. Questa tecnologia funziona acquisendo immagini al microscopio elettronico a trasmissione a risoluzione atomica di nanomateriali da più angoli di inclinazione, quindi ricostruendole nuovamente in strutture 3D utilizzando algoritmi di ricostruzione avanzati. La tomografia elettronica può essere intesa come lo stesso metodo utilizzato nelle scansioni TC utilizzate negli ospedali per visualizzare gli organi interni in tre dimensioni; Il team KAIST lo ha adattato in modo esclusivo ai nanomateriali, utilizzando la microscopia elettronica su un singolo campione.mais livello.

Distribuzione della polarizzazione tridimensionale delle nanoparticelle di BaTiO3 rivelata mediante tomografia elettronica atomica. (Sinistra) Schema della tecnica di tomografia elettronica, che prevede l’acquisizione di immagini al microscopio elettronico a trasmissione con più angoli di inclinazione e la loro ricostruzione in strutture atomiche 3D. (Al centro) La distribuzione della polarizzazione 3D è stata determinata sperimentalmente all’interno di una nanoparticella di BaTiO3 tramite tomografia elettronica atomica. Una struttura simile a un vortice è chiaramente visibile vicino al fondo (punto blu). (A destra) Sezione trasversale 2D della distribuzione di polarizzazione, affettata sottilmente al centro del vortice, e insieme il colore e le frecce indicano la direzione di polarizzazione. Si può osservare una struttura a vortice distinta.

Utilizzando la tomografia elettronica atomica, il team ha misurato le posizioni degli interi atomi di cationi all’interno delle nanoparticelle di titanato di bario (BaTiO3), un materiale ferroelettrico, in tre dimensioni. Con disposizioni atomiche 3D definite con precisione, sono stati in grado di calcolare ulteriormente la distribuzione della polarizzazione interna 3D a livello di singolo atomo. L’analisi della distribuzione della polarizzazione ha rivelato, per la prima volta sperimentalmente, che le disposizioni di polarizzazione topologiche, inclusi vortici, antivortici, skyrmion e il punto di Bloch, si verificano all’interno di ferroelettrici a dimensione zero, come previsto teoricamente 20 anni fa. Inoltre, si è anche scoperto che il numero dei vortici interni può essere controllato dalle loro dimensioni.

Il professor Sergei Brusandev e il professor Belich (che insieme ad altri colleghi proposero teoricamente la disposizione dei vortici polari 20 anni fa) si unirono a questa collaborazione e dimostrarono anche che i risultati della distribuzione dei vortici ottenuti dagli esperimenti concordano con i calcoli teorici.
Controllando il numero e la direzione di queste distribuzioni di polarizzazione, si prevede che ciò possa essere sfruttato nei dispositivi di memoria ad alta densità di prossima generazione in grado di memorizzare più di 10.000 volte la quantità di informazioni nel dispositivo stesso rispetto ai dispositivi esistenti.

Il dottor Yang, che ha guidato la ricerca, ha spiegato l’importanza dei risultati: “Questo risultato suggerisce che il controllo delle dimensioni e della forma dei materiali ferroelettrici da solo, senza la necessità di regolare il substrato o le influenze ambientali circostanti come lo stress epitassiale, può manipolare i vortici ferroelettrici. o altre disposizioni topologiche su scala nanometrica”. Ulteriori ricerche potranno quindi essere applicate allo sviluppo della prossima generazione di memoria ultra-densa.

Riferimento: “Revealing the Three-Dimensional Order of Polar Topology in Nanoparticles” di Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich e Youngsoo Yang, 8 maggio 2024, Comunicazioni sulla natura.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Questo studio è stato sostenuto principalmente dalle sovvenzioni della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziate dal governo coreano (MSIT).