Onze snelle, wereld met hoge bandbreedte vereist voortdurend nieuwe manieren om informatie te verwerken en op te slaan. Halfgeleiders en magnetische materialen vormen al tientallen jaren het grootste deel van de apparaten voor gegevensopslag. In recente jaren, echter, onderzoekers en ingenieurs hebben zich tot ferro-elektrische materialen gewend, een soort kristal dat met elektriciteit kan worden gemanipuleerd.

in 2016, de studie van ferro-elektriciteit werd interessanter met de ontdekking van polaire wervels - in wezen spiraalvormige groeperingen van atomen - in de structuur van het materiaal. Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) nieuwe inzichten ontdekt in het gedrag van deze wervels, inzichten die de eerste stap kunnen zijn om ze te gebruiken voor snelle, veelzijdige gegevensverwerking en opslag.

Wat is er zo belangrijk aan het gedrag van groepen atomen in deze materialen? Voor een ding, deze polaire draaikolken zijn intrigerende nieuwe ontdekkingen, ook als ze gewoon stil zitten. Voor een ander, dit nieuwe onderzoek, gepubliceerd als coververhaal in Natuur , laat zien hoe ze bewegen. Dit nieuwe type atomaire beweging met spiraalpatroon kan worden overgehaald om te gebeuren, en kan worden gemanipuleerd. Dat is goed nieuws voor het potentiële gebruik van dit materiaal in toekomstige gegevensverwerkings- en opslagapparaten.

"Hoewel de beweging van individuele atomen alleen misschien niet zo opwindend is, deze bewegingen voegen zich samen om iets nieuws te creëren - een voorbeeld van wat wetenschappers opkomende verschijnselen noemen - die mogelijkheden kunnen bieden die we ons voorheen niet konden voorstellen, " zei Haidan Wen, een fysicus in Argonne's X-ray Science Division (XSD).

Deze wervels zijn inderdaad klein - ongeveer vijf of zes nanometer breed, duizenden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar, of ongeveer twee keer zo breed als een enkele DNA-streng. Hun dynamiek, echter, niet zichtbaar zijn in een typische laboratoriumomgeving. Ze moeten tot actie worden aangezet door een ultrasnel elektrisch veld aan te leggen.

Dit alles maakt ze moeilijk te observeren en te karakteriseren. Wen en zijn collega, John Freeland, een senior natuurkundige in Argonne's XSD, heb jaren besteed aan het bestuderen van deze draaikolken, eerst met de ultraheldere röntgenstralen van de Advanced Photon Source (APS) in Argonne, en meest recentelijk met de vrije-elektronenlasermogelijkheden van de LINAC Coherent Light Source (LCLS) in het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE. Zowel de APS als de LCLS zijn DOE Office of Science User Facilities.

Met behulp van de APS, onderzoekers konden lasers gebruiken om een ​​nieuwe staat van materie te creëren en een uitgebreid beeld van de structuur te krijgen met behulp van röntgendiffractie. in 2019, het team, gezamenlijk geleid door Argonne en de Pennsylvania State University, rapporteerden hun bevindingen in een Natuurmaterialen omslagverhaal, met name dat de wervels kunnen worden gemanipuleerd met lichtpulsen. De gegevens zijn genomen bij verschillende APS-bundellijnen:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM en 33-ID-C.

"Hoewel deze nieuwe staat van materie, een zogenaamd superkristal, bestaat niet van nature, het kan worden gecreëerd door zorgvuldig ontworpen dunne lagen van twee verschillende materialen te verlichten met behulp van licht, " zei Venkatraman Gopalan, hoogleraar materiaalkunde en techniek en natuurkunde aan Penn State.

"Er is veel werk gestoken in het meten van de beweging van een klein object, " zei Freeland. "De vraag was, hoe zien we deze verschijnselen met röntgenstralen? We konden zien dat er iets interessants met het systeem was, iets dat we misschien kunnen karakteriseren met ultrasnelle tijdschaalsondes."

De APS was in staat om snapshots van deze wervels te maken op nanoseconden tijdschalen - honderd miljoen keer sneller dan nodig is om met je ogen te knipperen - maar het onderzoeksteam ontdekte dat dit niet snel genoeg was.

"We wisten dat er iets spannends moest gebeuren dat we niet konden detecteren, "Zei Wen. "De APS-experimenten hebben ons geholpen te bepalen waar we willen meten, op snellere tijdschalen die we niet konden bereiken bij het APS. Maar LCLS, onze zusterfaciliteit bij SLAC, biedt de exacte tools die nodig zijn om deze puzzel op te lossen."

Met hun eerdere onderzoek in de hand, Wen en Freeland voegden zich bij collega's van SLAC en DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) - Gopalan en Long-Qing Chen van de Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, hoofd van de afdeling diëlektrica van het Instituut voor Natuurkunde van de Tsjechische Academie van Wetenschappen; Paul Evans van de Universiteit van Wisconsin, Madison; en hun teams - om een ​​nieuw experiment te ontwerpen dat hen zou kunnen vertellen hoe deze atomen zich gedragen, en of dat gedrag kan worden gecontroleerd. Met behulp van wat ze bij APS hebben geleerd, het team, inclusief de hoofdauteurs van het nieuwe artikel, Quan Li van de Tsinghua University en Vladimir Stoica van de Pennsylvania State University, beide postdoctorale onderzoekers van de APS hebben verder onderzoek gedaan bij de LCLS van SLAC.

"LCLS gebruikt röntgenstralen om snapshots te maken van wat atomen doen op tijdschalen die niet toegankelijk zijn voor conventionele röntgenapparatuur, " zei Aaron Lindenberg, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en fotonwetenschappen aan de Stanford University en SLAC. "Röntgenverstrooiing kan structuren in kaart brengen, maar er is een machine als LCLS voor nodig om te zien waar de atomen zijn en om te volgen hoe ze dynamisch bewegen met onvoorstelbaar hoge snelheden."

Met behulp van een nieuw ferro-elektrisch materiaal ontworpen door Ramamoorthy Ramesh en Lane Martin in Berkeley Lab, het team was in staat om een ​​groep atomen in een wervelende beweging te brengen door een elektrisch veld op terahertz-frequenties, de frequentie die ongeveer 1 is 000 keer sneller dan de processor in uw mobiele telefoon. Ze waren vervolgens in staat om beelden van die spins vast te leggen op femtoseconde tijdschalen. Een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde - het is zo'n korte tijd dat licht slechts ongeveer de lengte van een kleine bacterie kan reizen voordat het voorbij is.

Met dit niveau van precisie, het onderzoeksteam zag een nieuw type beweging dat ze nog niet eerder hadden gezien.

"Ondanks dat theoretici geïnteresseerd waren in dit soort bewegingen, de exacte dynamische eigenschappen van polaire wervels bleven vaag tot de voltooiing van dit experiment, Hlinka zei. "De experimentele bevindingen hielpen theoretici om het model te verfijnen, microscopisch inzicht verschaffen in de experimentele waarnemingen. Het was een echt avontuur om dit soort gecoördineerde atoomdans te onthullen."

Deze ontdekking opent een nieuwe reeks vragen die verdere experimenten zullen vereisen om te beantwoorden, en geplande upgrades van zowel de APS- als LCLS-lichtbronnen zullen dit onderzoek verder helpen stimuleren. LCLS-II, nu in aanbouw, zal zijn röntgenpulsen verhogen van 120 naar 1 miljoen per seconde, waardoor wetenschappers met ongekende nauwkeurigheid naar de dynamiek van materialen kunnen kijken.

En de APS-upgrade, die de huidige elektronenopslagring zal vervangen door een ultramodern model dat de helderheid van de coherente röntgenstralen tot 500 keer zal verhogen, zullen onderzoekers in staat stellen om kleine objecten zoals deze wervels met nanometerresolutie in beeld te brengen.

Onderzoekers zien nu al de mogelijke toepassingen van deze kennis. Het feit dat deze materialen kunnen worden afgesteld door kleine veranderingen aan te brengen, opent een breed scala aan mogelijkheden, zei Lindenberg.

"Vanuit een fundamenteel perspectief zien we een nieuw soort materie, " zei hij. "Vanuit een technologisch perspectief van informatieopslag, we willen profiteren van wat er op deze frequenties gebeurt voor hoge snelheid, opslagtechnologie met hoge bandbreedte. Ik ben enthousiast over het beheersen van de eigenschappen van dit materiaal, en dit experiment toont mogelijke manieren om dit in dynamische zin te doen, sneller dan we voor mogelijk hielden."

Wen en Freeland waren het erover eens, opmerkend dat deze materialen toepassingen kunnen hebben waar nog niemand aan heeft gedacht.

"Je wilt niet iets dat doet wat een transistor doet, omdat we al transistors hebben, ' zei Freeland. 'Dus je zoekt naar nieuwe fenomenen. Welke aspecten kunnen ze meebrengen? We zoeken naar objecten met een hogere snelheid. Dit is wat mensen inspireert. Hoe kunnen we iets anders doen?"