يكشف الفيزيائيون عن “الدوامة ثلاثية الأبعاد” للكهرباء الحديدية الصفرية الأبعاد

أ كايستنجح فريق البحث الذي يقوده في إثبات توزيع الاستقطاب الداخلي ثلاثي الأبعاد في الجسيمات النانوية الكهروضوئية، مما يمهد الطريق لأجهزة الذاكرة المتقدمة القادرة على تخزين بيانات أكثر من 10000 مرة مقارنة بالتقنيات الحالية.

تُعرف المواد التي تظل ممغنطة بشكل مستقل، دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي، باسم المغناطيسات الحديدية. وبالمثل، يمكن للكهرباء الحديدية أن تحافظ على حالة الاستقطاب من تلقاء نفسها، دون أي مجال كهربائي خارجي، لتكون بمثابة المعادل الكهربائي للمغناطيسات الحديدية.

ومن المعروف أن المغناطيسات الحديدية تفقد خواصها المغناطيسية عندما يتم تقليلها إلى أحجام نانوية أقل من عتبة معينة. إن ما يحدث عندما يتم تصنيع المواد الكهروضوئية بشكل مماثل في حجم صغير جدًا في جميع الاتجاهات (أي في بنية خالية من الأبعاد مثل الجسيمات النانوية) كان موضوعًا للجدل لفترة طويلة.

قام فريق البحث بقيادة الدكتور يونغسو يانغ من قسم الفيزياء في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، ولأول مرة، بتوضيح توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد على شكل دوامة داخل الجسيمات النانوية الكهروضوئية من خلال بحث تعاوني دولي مع POSTECH، وSNU، وKBSI، وLBNL. ، وجامعة أركنساس.

منذ حوالي 20 عامًا، توقع البروفيسور لوران بيليش (حاليًا في جامعة أركنساس) وزملاؤه نظريًا أن شكلًا فريدًا من توزيع الاستقطاب، مرتبًا على شكل دوامة حلقية، يمكن أن يحدث داخل النقاط النانوية الكهروضوئية. واقترحوا أيضًا أنه إذا أمكن التحكم في توزيع الدوامة هذا بشكل صحيح، فيمكن تطبيقه على أجهزة الذاكرة عالية الكثافة ذات سعات أكبر بـ 10000 مرة من الأجهزة الموجودة. ومع ذلك، لم يتم تحقيق التوضيح التجريبي بسبب صعوبة قياس توزيع الاستقطاب ثلاثي الأبعاد داخل الهياكل النانوية الكهروضوئية.

التقنيات المتقدمة في التصوير المقطعي الإلكتروني

نجح فريق البحث في KAIST في حل هذا التحدي المستمر منذ 20 عامًا من خلال تنفيذ تقنية تسمى التصوير المقطعي الإلكتروني الذري. تعمل هذه التقنية عن طريق الحصول على صور بالمجهر الإلكتروني النافذ بدقة ذرية للمواد النانوية من زوايا ميل متعددة، ثم إعادة بنائها مرة أخرى إلى هياكل ثلاثية الأبعاد باستخدام خوارزميات إعادة البناء المتقدمة. يمكن فهم التصوير المقطعي الإلكتروني على أنه نفس الطريقة المستخدمة في الأشعة المقطعية المستخدمة في المستشفيات لعرض الأعضاء الداخلية في ثلاثة أبعاد؛ وقام فريق KAIST بتكييفه بشكل فريد مع المواد النانوية، وذلك باستخدام مجهر إلكتروني في العينة الواحدة.ذرة مستوى.

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 جسيمات متناهية الصغر BaTiO3 عبر التصوير المقطعي الإلكتروني الذري. يظهر هيكل يشبه الدوامة بوضوح بالقرب من الأسفل (النقطة الزرقاء). (يمين) مقطع عرضي ثنائي الأبعاد لتوزيع الاستقطاب، مقطع إلى شرائح رفيعة في مركز الدوامة، ويشير اللون والأسهم معًا إلى اتجاه الاستقطاب. ويمكن ملاحظة بنية دوامة متميزة.

باستخدام التصوير المقطعي الإلكتروني الذري، قام الفريق بقياس مواقع ذرات الكاتيون بالكامل داخل الجسيمات النانوية تيتانات الباريوم (BaTiO3)، وهي مادة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، 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 تجريبيًا، أن ترتيبات الاستقطاب الطوبولوجي، بما في ذلك الدوامات، والدوامات المضادة، والسكيرميونات، ونقطة بلوخ، تحدث داخل الفيروكهربائيات ذات البعد الصفري، كما تم التنبؤ به نظريًا قبل 20 عامًا. علاوة على ذلك، فقد وجد أيضًا أنه يمكن التحكم في عدد الدوامات الداخلية حسب أحجامها.

انضم البروفيسور سيرجي بروسانديف والبروفيسور بيليش (الذي اقترح مع زملاء آخرين ترتيب الدوامة القطبية نظريًا قبل 20 عامًا) إلى هذا التعاون وأثبتا أيضًا أن نتائج توزيع الدوامة التي تم الحصول عليها من التجارب تتوافق مع الحسابات النظرية.
من خلال التحكم في عدد واتجاه توزيعات الاستقطاب هذه، من المتوقع أنه يمكن الاستفادة من ذلك في أجهزة الذاكرة عالية الكثافة من الجيل التالي التي يمكنها تخزين أكثر من 10000 مرة من كمية المعلومات في الجهاز نفسه مقارنة بالأجهزة الموجودة.

وأوضح الدكتور يانغ، الذي قاد البحث، أهمية النتائج قائلاً: “تشير هذه النتيجة إلى أن التحكم في حجم وشكل المواد الكهروضوئية وحدها، دون الحاجة إلى ضبط الركيزة أو التأثيرات البيئية المحيطة مثل الإجهاد الفوقي، يمكن أن يتلاعب بالدوامات الكهروضوئية أو ترتيبات طوبولوجية أخرى على مقياس النانو. ويمكن بعد ذلك تطبيق المزيد من الأبحاث على تطوير الجيل التالي من الذاكرة فائقة الكثافة.

المرجع: “الكشف عن الترتيب ثلاثي الأبعاد للطوبولوجيا القطبية في الجسيمات النانوية” بقلم تشيهوا جيونج، جوهيوك لي، هيسونج جو، جايوهان أوه، هيونسوك بايك، كيونج جون جو، جونوو سون، سي يونج تشوي، سيرجي بروسانديف، لوران بيليش و يونجسو يانج، 8 مايو 2024، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-024-48082-x

وقد تم دعم هذه الدراسة بشكل رئيسي من خلال منح المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT).