Cuando lanzas una pelota, ¿qué mano usas? Las personas zurdas tiran naturalmente con la mano izquierda y las personas diestras con la derecha. Esta preferencia natural por un lado versus el otro se llama mano, y puede servisto casi en todas partes, desde una molécula de glucosa cuya estructura atómica se inclina hacia la izquierda, hasta un perro que le da la "mano" solo con la derecha.
La dinamización puede exhibirse en quiralidad, donde dos objetos, como un par de guantes, pueden ser imágenes especulares entre sí pero no pueden superponerse entre sí. Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Berkeley Lab ha observado quiralidad por primera veztiempo en skyrmions polares - cuasipartículas similares a pequeños remolinos magnéticos - en un material con propiedades eléctricas reversibles. La combinación de skyrmions polares y estas propiedades eléctricas podría algún día conducir a aplicaciones como dispositivos de almacenamiento de datos más potentes que continúan almacenando información -- incluso después de apagar un dispositivo. Sus hallazgos se informaron esta semana en la revista Naturaleza .
"Lo que descubrimos es alucinante", dijo Ramamoorthy Ramesh, quien tiene cargos como científico senior de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y como la Cátedra Purnendu Chatterjee de Tecnologías Energéticas en Ciencia de Materiales e Ingeniería y Física en la UCBerkeley: "No habíamos planeado hacer skyrmions. Entonces, para nosotros terminar haciendo un skyrmion quiral es emocionante".
Cuando el equipo de investigadores, codirigido por Ramesh y Lane Martin, científico del personal de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley, comenzó este estudio en 2016, se habían propuestopara encontrar formas de controlar cómo se mueve el calor a través de los materiales. Entonces fabricaron una estructura cristalina especial llamada superredes a partir de capas alternas de titanato de plomo un material eléctricamente polar, por el cual un extremo tiene carga positiva y el extremo opuesto tiene carga negativa y titanato de estroncioun aislante o un material que no conduce corriente eléctrica.
Pero una vez que tomaron mediciones STEM microscopía electrónica de transmisión de barrido de la superredes de titanato de plomo / titanato de estroncio en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE de EE. UU. En Berkeley Lab que se especializa en ciencia a nanoescala, vieron algo extraño que habíanada que ver con el calor: formaciones con forma de burbuja habían surgido en todo el dispositivo.
Burbujas, burbujas por todas partes
Entonces, ¿qué eran estas "burbujas" y cómo llegaron allí?
Resulta que esas burbujas eran skyrmions polares, o texturas formadas por cargas eléctricas opuestas conocidas como dipolos. Los investigadores siempre habían asumido que los skyrmions solo aparecerían en materiales magnéticos, donde las interacciones especiales entre espines magnéticos de electrones cargados estabilizan eltorciendo patrones quirales de skyrmions. Entonces, cuando el equipo de investigadores liderado por Berkeley Lab descubrió skyrmions en un material eléctrico, quedaron asombrados.
A través de la colaboración de los investigadores con los teóricos Javier Junquera de la Universidad de Cantabria en España y Jorge Íñiguez del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo, descubrieron que estas texturas tenían una característica única llamada "componente Bloch" que determinaba la direcciónde su giro, que Ramesh compara con la sujeción de un cinturón - donde si eres zurdo, el cinturón va de izquierda a derecha ". Y resultó que este componente Bloch - el cinturón ecuatorial del skyrmion, así quehablar - es la clave de su quiralidad o entrega ", dijo.
Al usar STEM sofisticado en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, donde David Muller de la Universidad de Cornell tomó instantáneas atómicas de la quiralidad de los skyrmions a temperatura ambiente en tiempo real, los investigadores descubrieron que las fuerzas se colocaron en el poloLa capa de titanato de plomo por la capa de titanato de estroncio no polar generó las "burbujas" de skyrmion polar en el titanato de plomo.
"Los materiales son como las personas", dijo Ramesh. "Cuando las personas se estresan, responden de maneras impredecibles. Y eso es lo que hacen los materiales también: en este caso, al rodear el titanato de plomo con el titanato de estroncio, el titanato de plomo comienza a volverse loco -- y una forma de volverse loco es crear texturas polares como skyrmions "
brillando una luz sobre la quiralidad del cristal
Para confirmar sus observaciones, el científico senior Elke Arenholz y el científico personal Padraic Shafer en Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab, junto con Margaret McCarter, estudiante de doctorado en física del Ramesh Lab en UC Berkeley, probaron la quiralidadmediante el uso de una técnica espectroscópica conocida como RSXD-CD dicroísmo circular de difracción de rayos X blandos resonantes, una de las herramientas altamente optimizadas disponibles para la comunidad científica en ALS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE de EE. UU. que se especializa en energía más baja,Luz de rayos X "suave" para estudiar las propiedades de los materiales.
Las ondas de luz se pueden "polarizar circularmente" para tener también la mano, por lo que los investigadores teorizaron que si los skyrmions polares tienen la mano, un skyrmion zurdo, por ejemplo, debería interactuar más fuertemente con la luz zurda, polarizada circularmente - unefecto conocido como dicroísmo circular.
Cuando McCarter y Shafer probaron las muestras en el ALS, descubrieron con éxito otra pieza del rompecabezas de skyrmion quiral: descubrieron que los rayos X polarizados circularmente entrantes, como un tornillo cuyos hilos giran en sentido horario o antihorario, interactúan con skyrmions cuyosLos dipolos giran en la misma dirección, incluso a temperatura ambiente. En otras palabras, encontraron evidencia de dicroísmo circular, donde solo hay una fuerte interacción entre los rayos X y los skyrmions polares con la misma mano.
"Las simulaciones teóricas y la microscopía revelaron la presencia de un componente de Bloch, pero para confirmar la naturaleza quiral de estos skyrmions, la última pieza del rompecabezas fue realmente las medidas de dicroísmo circular", dijo McCarter. "Es sorprendente observarlo".este efecto en materiales que generalmente no tienen capacidad de manipulación. Estamos entusiasmados de explorar las implicaciones de esta quiralidad en una ferroeléctrica y cómo se puede controlar de una manera que pueda ser útil para almacenar datos ".
Ahora que los investigadores hicieron un solo skyrmion eléctrico y confirmaron su quiralidad, planean hacer una serie de docenas de skyrmions eléctricos, cada uno con un diámetro de solo 8 nm en comparación, el virus del Ébola es de aproximadamente 50 nmde ancho - con la misma mano ". En términos de aplicaciones, esto es emocionante porque ahora tenemos quiralidad: activar o desactivar un skyrmion, o entre zurdos y diestros, además de poder seguiruse el cargo para almacenar datos ", dijo Ramesh.
Luego, los investigadores planean estudiar los efectos de aplicar un campo eléctrico en los skyrmions. "Ahora que sabemos que los skyrmions son quirales, queremos ver si podemos manipularlos eléctricamente. Si aplico un campo eléctrico, ¿puedo girar?cada uno como un torniquete? ¿Puedo mover cada uno, uno a la vez, como un corrector en un tablero de ajedrez? Si de alguna manera podemos moverlos, escribirlos y borrarlos para el almacenamiento de datos, entonces esa sería una nueva tecnología increíble,"Dijo Ramesh.
También contribuyeron al estudio los investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, la Universidad de Cornell y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE con fondos adicionales proporcionados por la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Nacional de Ciencia, el Fondo Nacional de Investigación de Luxemburgo y el Ministerio de Economía y Competitividad de España.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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