La investigación financiada en parte por el Ejército de los EE. UU. Identificó propiedades en materiales que algún día podrían conducir a aplicaciones como dispositivos de almacenamiento de datos más potentes que continúan almacenando información incluso después de que un dispositivo se haya apagado.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Cornell y la Universidad de California Berkeley hizo un descubrimiento que abre una gran cantidad de sistemas de materiales y fenómenos físicos que ahora se pueden explorar.
Los científicos observaron lo que se conoce como quiralidad por primera vez en skyrmions polares en un material artificial exquisitamente diseñado y sintetizado con propiedades eléctricas reversibles. Chirality es donde dos objetos, como un par de guantes, pueden ser imágenes especulares entre sí pero no puedensuperponerse entre sí. Los skyrmions polares son 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 los patrones quirales retorcidos de skyrmions. Cuando el equipo descubrió skyrmions en un material eléctrico, quedaron asombrados, dijeron.
La combinación de skyrmions polares y estas propiedades eléctricas puede permitir el desarrollo de dispositivos novedosos que son de gran interés para el Ejército, especialmente usando la quiralidad como un parámetro que puede ser manipulado.
"Ahora que sabemos que los skyrmions polares / eléctricos son quirales, queremos ver si podemos manipularlos eléctricamente", dijo el Dr. Ramamoorthy Ramesh, el co-investigador principal de este proyecto. "Si aplico un campo eléctrico,¿Puedo girar cada uno como un torniquete? ¿Puedo mover cada uno, uno a la vez, como un verificador en un tablero de ajedrez? Si de alguna manera podemos moverlos, escribirlos y borrarlos para el almacenamiento de datos, entonces eso sería un increíblenueva tecnología."
Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Naturaleza .
"Este descubrimiento innovador se puede usar en el futuro para desarrollar estructuras de dispositivos que se pueden usar para mejorar la lógica / memoria, detección, comunicaciones y otras aplicaciones para el Ejército y la industria", dijo el Dr. Pani ChakrapaniVaranasi, jefe de la División de Ciencia de Materiales de la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU.
Cuando el equipo comenzó el estudio en 2016, se propusieron encontrar formas de controlar cómo se mueve el calor a través de los materiales. Fabricaron una estructura cristalina especial llamada superredes a partir de capas alternas de titanato de plomo un material eléctricamente polar, mediante el cual un extremotiene carga positiva y el extremo opuesto tiene carga negativa y titanato de estroncio un aislante o un material que no conduce corriente eléctrica.
El equipo de investigación comenzó a explorar la síntesis de óxidos estructurados y diseñados artificialmente, con el objetivo de explorar fenómenos emergentes. Los fenómenos emergentes son de naturaleza generalizada: peces nadando en una escuela, pájaros volando en formación, la aparición de multitudes y multitudesTodos son ejemplos de cómo las interacciones de objetos discretos peces, pájaros, humanos pueden conducir a un comportamiento colectivo inesperado. Los materiales también pueden exhibir ese comportamiento emergente, especialmente cuando están sujetos a restricciones.
Cuando los científicos tomaron mediciones de microscopía electrónica de transmisión de escaneo de la superlattice de titanato de plomo / titanato de estroncio diseñado artificialmente, vieron algo extraño que no tenía nada que ver con el calor: formaciones con forma de burbuja habían surgido en todo el material. El titanato de plomo es unmaterial ferroeléctrico bien conocido, mientras que el titanato de estroncio, su compuesto hermano no es ferroeléctrico a temperatura ambiente. Los ferroeléctricos son materiales que tienen una polarización eléctrica espontánea que puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico externo.
Resulta que esas burbujas eran skyrmions polares.
Mientras utilizaba la sofisticada microscopía electrónica de transmisión de barrido en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, 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 aplicabanla capa de titanato de plomo polar 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 manera impredecible. 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 en lugar de polarizarse de manera uniforme ".
"Este trabajo ha permitido el descubrimiento de un fenómeno fundamentalmente nuevo en las superredes de óxido", dijo Schlom. "Ahora tenemos una plantilla basada en la epitaxia para crear muchos otros universos científicos. Por ejemplo, podemos comenzar a analizar la carga de espínacoplamiento en tales superredes; el trabajo en esto ya está en marcha "
Los investigadores también planean estudiar los efectos de aplicar un campo eléctrico en los skyrmions polares.
Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y el Laboratorio Nacional Oak Ridge también contribuyeron al estudio
Además, la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía apoyó esta investigación con fondos adicionales proporcionados por la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo Nacional de Investigación de Luxemburgo y el Ministerio de Economía y Competitividad de España.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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