Маленькие кружащиеся тайны: раскрытие динамики сверхмалых и сверхбыстрых групп атомов

В нашем мире высокоскоростных и широкополосных сетей постоянно требуются новые способы обработки и хранения информации. Полупроводники и магнитные материалы на протяжении десятилетий составляли основную часть устройств хранения данных. Однако в последние годы исследователи и инженеры обратились к сегнетоэлектрическим материалам, типу кристаллов, которыми можно управлять с помощью электричества.


В 2016 году изучение сегнетоэлектриков стало более интересным с открытием полярных вихрей – по сути, спиралевидных групп атомов – в структуре материала. Теперь группа исследователей во главе с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) обнаружила новые идеи о поведении этих вихрей, которые могут стать первым шагом к их использованию для быстрой и универсальной обработки и хранения данных.

Что такого важного в поведении групп атомов в этих материалах? Во-первых, эти полярные вихри интригуют для новых открытий, даже когда они просто неподвижны. Во-вторых, это новое исследование, опубликованное в качестве прикрытия в Природа, показывает, как они двигаются. Этот новый тип спиралевидного атомного движения можно уговорить, и им можно манипулировать. Это хорошая новость для потенциального использования этого материала в устройствах для обработки и хранения данных в будущем.

«Хотя движение отдельных атомов само по себе может быть не слишком захватывающим, эти движения объединяются, чтобы создать что-то новое – пример того, что ученые называют эмерджентными явлениями, – которые могут иметь возможности, которые мы не могли себе представить раньше», – сказал Хайдан Вэнь. , физик из отдела рентгеновских исследований Аргонны (XSD).

Эти вихри действительно маленькие – около пяти или шести нанометров в ширину, в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса или примерно в два раза шире одной нити ДНК. Однако их динамику нельзя увидеть в типичной лабораторной среде. Их нужно привести в действие, приложив сверхбыстрое электрическое поле.

Все это делает их трудными для наблюдения и описания. Вен и его коллега Джон Фриланд, старший физик в XSD Аргонны, потратили годы на изучение этих вихрей, сначала с помощью ультраярких рентгеновских лучей от усовершенствованного источника фотонов (APS) в Аргонне, а совсем недавно с помощью лазеров на свободных электронах. когерентного источника света (LCLS) LINAC в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. И APS, и LCLS являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

Используя APS, исследователи смогли использовать лазеры для создания нового состояния материи и получить исчерпывающую картину ее структуры с помощью дифракции рентгеновских лучей. В 2019 году команда, возглавляемая Аргонном и Государственным университетом Пенсильвании, сообщила о своих выводах в обложке Nature Materials, в частности о том, что вихрями можно манипулировать с помощью световых импульсов. Данные были получены с нескольких каналов APS: 7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM и 33-ID-C.

«Хотя это новое состояние материи, так называемый суперкристалл, не существует в природе, его можно создать, освещая тщательно спроектированные тонкие слои двух различных материалов с помощью света», – сказал Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения, инженерии и физики в Пенсильвании. Состояние.

«Много работы было потрачено на измерение движения крошечного объекта», – сказал Фриланд. «Вопрос был в том, как мы наблюдаем эти явления с помощью рентгеновских лучей? Мы могли видеть, что в системе есть что-то интересное, что мы могли бы охарактеризовать с помощью сверхбыстрых датчиков временной шкалы».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments