يكشف الفيزيائيون عن “دوران ثلاثي الأبعاد” للكهرباء الحديدية ذات الأبعاد الصفرية

أ كايستنجح فريق البحث الذي يقوده في إثبات توزيع استقطاب جوهري ثلاثي الأبعاد في الجسيمات النانوية الكهروضوئية، مما يمهد الطريق لأجهزة الذاكرة المتقدمة القادرة على تخزين بيانات أكثر بـ 10000 مرة من التقنيات الحالية.

تسمى المواد المغناطيسية بشكل مستقل دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي بالمغناطيسات الحديدية. وبالمثل، يمكن للكهرباء الحديدية أن تحافظ على حالة الاستقطاب بنفسها دون أي مجال كهربائي خارجي، حيث تعمل كهربائيًا مكافئًا للمغناطيسات الحديدية.

ومن المعروف أن المغناطيسات الحديدية تفقد خواصها المغناطيسية عندما يتم تقليلها إلى مستوى النانو تحت حد معين. إن ما يحدث عندما يتم تصنيع المواد الكهروضوئية صغيرة جدًا في جميع الاتجاهات (أي في بنية خالية من الأبعاد مثل الجسيمات النانوية) كان موضوعًا مثيرًا للجدل منذ فترة طويلة.

من قسم الفيزياء في KAIST د. قام فريق بحث بقيادة Yongsoo Yang، من خلال البحث التعاوني الدولي مع POSTECH وSNU وKBSI وLBNL، بتوضيح توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد على شكل دوران داخل الجسيمات النانوية الكهروضوئية لأول مرة. ، وجامعة أركنساس.

منذ حوالي 20 عامًا، توقع البروفيسور لوران بيليش (حاليًا في جامعة أركنساس) وزملاؤه نظريًا أن توزيع الاستقطاب الفريد، المرتب في نمط حلزوني حلقي، يمكن أن يحدث داخل النقاط النانوية الكهروضوئية. واقترحوا أيضًا أنه إذا أمكن التحكم في انتشار الدوران بشكل صحيح، فيمكن استخدامه لأجهزة الذاكرة عالية الكثافة ذات سعات أعلى بـ 10000 مرة من الأجهزة الموجودة. ومع ذلك، لم يتم توضيح التجربة بسبب صعوبة قياس توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد داخل الهياكل النانوية الكهروضوئية.

التقنيات المتقدمة في التصوير المقطعي الإلكتروني

نجح فريق بحث في KAIST في حل هذا التحدي المستمر منذ 20 عامًا من خلال تنفيذ تقنية تسمى التصوير المقطعي الإلكتروني الذري. تعمل هذه التقنية من خلال الحصول على صور بالمجهر الإلكتروني النافذ بدقة ذرية للمواد النانوية من زوايا ميل متعددة، ثم إعادة بنائها إلى هياكل ثلاثية الأبعاد باستخدام خوارزميات إعادة البناء المتقدمة. يمكن فهم التصوير المقطعي الإلكتروني بنفس الطريقة التي يتم بها استخدام الأشعة المقطعية في المستشفيات لعرض الأعضاء الداخلية في ثلاثة أبعاد. وقام فريق KAIST بتكييفه بشكل فريد مع المواد النانوية، باستخدام مجهر إلكتروني أحادي البئر.ذرة حالة.

توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد للجسيمات النانوية BaTiO3 التي كشف عنها التصوير المقطعي الإلكتروني الذري. (يسار) رسم تخطيطي لتقنية التصوير المقطعي الإلكتروني، والذي يتضمن الحصول على صور المجهر الإلكتروني النافذ بزوايا ميل متعددة وإعادة بنائها إلى هياكل ذرية ثلاثية الأبعاد. (في الوسط) تم تحديد توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد بشكل تجريبي داخل الجسيمات النانوية BaTiO3 عبر التصوير المقطعي الإلكتروني الذري. يظهر هيكل حلزوني بوضوح بالقرب من الأسفل (النقطة الزرقاء). (يمين) مقطع عرضي ثنائي الأبعاد لتوزيع الاستقطاب، مقطع إلى شرائح رفيعة عبر مركز الدوامة، مع اللون والأسهم معًا للإشارة إلى اتجاه الاستقطاب. ويمكن رؤية هيكل حلزوني فريد من نوعه.

باستخدام التصوير المقطعي الإلكتروني الذري، قام الفريق بقياس مواقع ذرات الكاتيون بشكل كامل داخل الجسيمات النانوية من تيتانات الباريوم (BaTiO3)، وهي مادة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف معروفة، في ثلاثة أبعاد. ومن خلال الترتيبات الذرية ثلاثية الأبعاد المحددة بدقة، تمكنوا من إجراء المزيد من الحسابات لتوزيع الاستقطاب الداخلي ثلاثي الأبعاد على مستوى الذرة الواحدة. كشف تحليل توزيع الاستقطاب، لأول مرة، أن ترتيبات الاستقطاب الطوبولوجي، بما في ذلك السبينات، والسبينات المضادة، والسكيرميونات، ونقطة بلوخ، تحدث في الكهروضوئية ذات البعد الصفري، كما كان متوقعًا نظريًا قبل 20 عامًا. كما وجد أنه يمكن التحكم في عدد الحلقات الداخلية حسب حجمها.

البروفيسور سيرجي بروسانديف والبروفيسور. انضم بيليش (الذي اقترح نظريًا تنظيم الدوامة القطبية مع زملاء آخرين قبل 20 عامًا) إلى هذا التعاون وأثبت أيضًا أن نتائج توزيع الدوران التي تم الحصول عليها من التجارب كانت متوافقة مع الحسابات النظرية.
ومن خلال التحكم في عدد واتجاه توزيعات الاستقطاب هذه، من المتوقع أن يتم استخدامها في الجيل التالي من أجهزة الذاكرة عالية الكثافة التي يمكنها تخزين معلومات أكثر بمقدار 10000 مرة في نفس الجهاز مقارنة بالأجهزة الموجودة.

أوضح الدكتور يانغ، الذي قاد البحث، أهمية النتائج: “تشير هذه النتيجة إلى أن التحكم فقط في حجم وشكل المواد الكهروضوئية يمكنه التعامل مع السبينات الكهروضوئية دون الحاجة إلى التكيف مع التأثيرات البيئية المحيطة مثل الركيزة أو السلالة الفوقي. الأنظمة الطوبولوجية على المستوى النانوي يمكن تطبيق الجيل القادم من الأبحاث الإضافية على تطوير ذاكرة الكثافة.”

المرجع: “الكشف عن البنية ثلاثية الأبعاد للطوبولوجيا القطبية في الجسيمات النانوية” سيهوا جيونج، جوهيوك لي، هيسونج جو، جيهان أوه، هيونجسوك بايك، كيونج جون كو، جونوو صن، تشي يونج تشوي، سيرجي بروساندييف، لوران بيلا، و لوران بيلا يونجسو يانج، 8 مايو 2024، التواصل الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41467-024-48082-x

تم دعم هذه الدراسة بشكل أساسي من خلال المنح المقدمة من مؤسسة البحوث الوطنية الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT).