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Una nuova ricerca rivela i misteri dietro piccoli gruppi di atomi a spirale

Il nostro mondo ad alta velocità e ad alta larghezza di banda richiede costantemente nuovi modi di elaborazione e archiviazione delle informazioni. I semiconduttori e i materiali magnetici sono stati per decenni la maggior parte dei dispositivi di memorizzazione dei dati. Tuttavia, ricercatori e ingegneri negli ultimi anni si sono rivolti a materiali ferroelettrici, un tipo di cristallo che può essere manipolato con l’elettricità.

Nel 2016, lo studio dei ferroelettrici è diventato più interessante con Alla scoperta dei vortici polari Gli atomi si raggruppano in una forma essenzialmente a spirale – all’interno della struttura della materia. Un team di ricercatori guidato dall’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha scoperto nuove intuizioni sul comportamento di questi vortici, intuizioni che potrebbero essere il primo passo verso il loro utilizzo per elaborare e archiviare i dati in modo veloce e versatile. Il team, che comprende anche ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del DOE e del Lawrence Berkeley National Laboratory, I loro risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Nature.

Che cosa è importante nel comportamento dei gruppi di atomi in questi materiali? Per prima cosa, questi vortici polari suscitano la curiosità di nuove scoperte, anche da seduti. D’altra parte, questa nuova ricerca rivela come si muovono. Questo nuovo tipo di movimento atomico a spirale può essere persuaso a verificarsi e può essere manipolato. Questa è una buona notizia per il potenziale utilizzo di questo materiale in futuri dispositivi di elaborazione e archiviazione dei dati.

Heidan Wen ha detto: “Sebbene il movimento dei singoli atomi da solo possa non essere molto eccitante, questi movimenti si combinano per creare qualcosa di nuovo – un esempio di ciò che gli scienziati chiamano” fenomeni emergenti “- che potrebbe ospitare capacità che in precedenza non avevamo immaginato”. . , Fisico del dipartimento di scienze dei raggi X ad Argonne.

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Questi vortici sono davvero piccoli: circa cinque o sei nanometri, migliaia di volte più piccoli della larghezza di un capello umano o il doppio della larghezza di un singolo filamento di DNA. Tuttavia, i loro movimenti non possono essere visti in un tipico ambiente di laboratorio. Devono essere “entusiasti” di lavorare applicando un campo elettrico ultraveloce.

Tutto ciò rende difficile notare e descrivere. Wayne e il suo collega, John Freeland, capo fisico presso la Divisione di Scienza dei raggi X ad Argonne, hanno trascorso anni a studiare questi vortici, prima utilizzando i raggi X ultra luminosi dell’Advanced Photon Source (APS) in Argonne, e la maggior parte recentemente con Free Free. Funzionalità laser elettronico SLAC Sorgente di luce coerente Linac (LCLS). Sia APS che LCLS sono strutture per gli utenti dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia.

Utilizzando APS, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare i laser per creare un nuovo stato della materia e ottenere un quadro completo della sua struttura utilizzando la diffrazione dei raggi X. Nel 2019 ha guidato congiuntamente il team con la Pennsylvania State University, Argonne, Riportano le loro scoperte nella storia di copertina di Nature MaterialsIn particolare, i vortici possono essere manipolati con impulsi di luce.

Venkatraman Gopalan, professore di scienza dei materiali, ingegneria e fisica, ha dichiarato: “Sebbene questo nuovo stato della materia, chiamato ‘super cristallo’, non esista in natura, può essere creato illuminando strati sottili attentamente progettati di due materiali distinti utilizzando il leggero”. Alla Pennsylvania State University.

“È stato fatto molto lavoro per misurare il movimento di un piccolo oggetto”, ha detto Freeland. La domanda era: come vediamo questi fenomeni sui raggi X? Possiamo vedere che c’è qualcosa di molto interessante nel sistema, qualcosa che potremmo essere in grado di distinguere con sonde nel dominio del tempo ultraveloci. “

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APS è stata in grado di catturare screenshot di questi vortici nel file Scale temporali in nanosecondi – 100 milioni di volte più veloce di quanto ci vuole per chiudere gli occhi – ma il team di ricerca ha scoperto che non era abbastanza veloce.

Wen ha detto: “Sapevamo che doveva accadere qualcosa di interessante che non siamo riusciti a capire”. “Gli esperimenti APS ci hanno aiutato a individuare dove vogliamo misurare, con scale temporali più veloci che non siamo riusciti a raggiungere con APS. Ma LCLS, la nostra struttura gemella presso SLAC, fornisce gli strumenti esatti necessari per risolvere questo puzzle”.

Con la loro ricerca precedente in mano, Wayne e Freeland si sono uniti ai colleghi dello SLAC e del Berkeley Lab – insieme ai ricercatori della Pennsylvania State University, dell’Istituto di fisica della Czech Academy of Sciences e dell’Università del Wisconsin, Madison – per progettare un nuovo esperimento che sarà in grado di dire loro come si comportano questi atomi., E se questo comportamento può essere controllato. Usando ciò che hanno appreso all’APS, il team – inclusi gli autori principali del nuovo articolo, Qian Li e Vladimir Stoica, entrambi ricercatori post-dottorato APS – ha ulteriormente studiato LCLS allo SLAC.

“LCLS utilizza i raggi X per acquisire istantanee di ciò che gli atomi stanno facendo su scale temporali a cui non è possibile accedere dalle macchine a raggi X convenzionali”, ha affermato Aaron Lindenberg, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria e scienze dei fotoni presso la Stanford University e SLAC. “La diffusione dei raggi X può tracciare le strutture, ma ci vuole una macchina come LCLS per capire dove sono gli atomi e monitorare come si muovono dinamicamente a velocità inimmaginabili”.

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Utilizzando un nuovo materiale idroelettrico progettato da Ramamurthy Ramesh e Lyn Martin presso il Berkeley Laboratory, il team è stato in grado di eccitare un gruppo di atomi con un movimento circolare con un campo elettrico a frequenze terahertz, una frequenza circa 1.000 volte più veloce del processore nel tuo cellula. Telefono. Quindi sono stati in grado di scattare foto di quei cicli a intervalli di tempo di femtosecondi. Un femtosecondo è una parte di un milionesimo di secondo: è un periodo di tempo così breve che la luce può viaggiare solo lungo i minuscoli batteri prima di finire.