物理学家揭示了零维铁电性的“3D涡旋”

A 凯斯特他领导的研究团队成功证明了铁电纳米粒子的三维内部极化分布，为能够存储比现有技术多一万倍数据的先进存储设备铺平了道路。

无需外部磁场即可保持独立磁化的材料称为铁磁体。 同样，铁电体可以在没有任何外部电场的情况下自行保持极化状态，相当于铁磁体的电学等效物。

众所周知，当铁磁体减小到低于某个阈值的纳米级尺寸时，铁磁体就会失去磁性。 当铁电材料在各个方向上以非常小的体积（即在像纳米颗粒这样的无量纲结构中）相同地制造时会发生什么，这一直是争论的话题。

KAUST 物理系 Youngsu Yang 博士领导的研究小组通过与 POSTECH、SNU、KBSI 和 LBNL 的国际合作研究，首次阐明了铁电纳米粒子内部的 3D 涡旋形极化分布。 还有阿肯色大学。

大约 20 年前，Laurent Belich 教授（现就职于阿肯色大学）和他的同事从理论上预测，铁电纳米点内部可能会出现一种以环形涡旋形式排列的独特形式的极化分布。 他们还建议，如果这种涡流分布能够得到适当控制，它可以应用于容量比现有设备大10,000倍的高密度存储设备。 然而，由于难以测量铁电纳米结构内的 3D 极化分布，实验尚未得到澄清。

电子断层扫描先进技术

KAIST 的研究团队通过实施一种称为原子电子断层扫描的技术解决了这一长达 20 年的挑战。 该技术的工作原理是从多个倾斜角度获取纳米材料的原子分辨率透射电子显微镜图像，然后使用先进的重建算法将它们重建回 3D 结构。 电子断层扫描可以理解为与医院使用的 CT 扫描相同的方法，用于三维观察内部器官； 韩国科学技术院团队利用电子显微镜对单个样品进行了独特的改造，使其适用于纳米材料。玉米 等级。

原子电子断层扫描显示 BaTiO3 纳米粒子的三维偏振分布。 （左）电子断层扫描技术示意图，该技术涉及以多个倾斜角度采集透射电子显微镜图像并将其重建为 3D 原子结构。 （中）通过原子电子断层扫描在 BaTiO3 纳米颗粒内部实验确定了 3D 偏振分布。 底部附近清晰可见涡状结构（蓝点）。 （右）偏振分布的二维横截面，在涡流中心切成薄片，颜色和箭头一起指示偏振方向。 可以观察到明显的涡流结构。

研究小组利用原子电子断层扫描技术测量了铁电材料钛酸钡 (BaTiO3) 纳米颗粒内整个阳离子原子的三维位置。 通过精确定义的 3D 原子排列，他们能够进一步计算单原子水平的 3D 内部极化分布。 对极化分布的分析首次通过实验揭示了拓扑极化排列，包括涡旋、反涡旋、斯格明子和布洛赫点，出现在零维铁电体内部，正如 20 年前理论上所预测的那样。 此外，还发现内部涡流的数量可以通过其大小来控制。

Sergei Brusandev教授和Belich教授（20年前与其他同事从理论上提出了极涡排列）加入了这次合作，并证明了实验获得的涡分布结果与理论计算一致。
通过控制这些极化分布的数量和方向，预计可以在下一代高密度存储设备中利用这一点，与现有设备相比，该设备本身可以存储超过 10,000 倍的信息量。

领导这项研究的杨博士解释了这一发现的意义：“这一结果表明，仅控制铁电材料的尺寸和形状，无需调整基板或周围环境影响（例如外延应力），就可以操纵铁电涡流或纳米级的其他拓扑排列。”然后可以将进一步的研究应用于开发下一代超密集存储器。

参考文献：《揭示纳米粒子中极性拓扑的三维秩序》，作者：Chihwa Jeong、Joo Hyuk Lee、Hyesung Jo、Jayohan Oh、Hyunsuk Baek、Kyung Joon Jo、Junwoo Son、Se Young Choi、Sergey Brusandev、Laurent Belich 和 Youngsoo杨，2024年5月8日， 自然通讯。
号码：10.1038/s41467-024-48082-x

这项研究主要由韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）资助。