Nuestro mundo de alta velocidad y gran ancho de banda requiere constantemente nuevas formas de procesar y almacenar información. Los semiconductores y los materiales magnéticos han constituido la mayor parte de los dispositivos de almacenamiento de datos durante décadas. Sin embargo, en los últimos años, los investigadores e ingenieros han recurrido a la ferroeléctricamateriales, un tipo de cristal que se puede manipular con electricidad.
En 2016, el estudio de los ferroeléctricos se volvió más interesante con el descubrimiento de vórtices polares, esencialmente agrupaciones de átomos en forma de espiral, dentro de la estructura del material. Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Departamento de Energía de EE. UU. DOE El Laboratorio Nacional Argonne ha descubierto nuevos conocimientos sobre el comportamiento de estos vórtices, conocimientos que pueden ser el primer paso hacia su uso para un procesamiento y almacenamiento de datos rápidos y versátiles.
¿Qué es tan importante sobre el comportamiento de los grupos de átomos en estos materiales? Por un lado, estos vórtices polares son nuevos descubrimientos intrigantes, incluso cuando están quietos. Por otro lado, esta nueva investigación, publicada como artículo de portada en Naturaleza , revela cómo se mueven. Este nuevo tipo de movimiento atómico con patrón en espiral se puede persuadir para que ocurra y se puede manipular. Esas son buenas noticias para el uso potencial de este material en futuros dispositivos de procesamiento y almacenamiento de datos.
"Aunque el movimiento de átomos individuales por sí solo puede no ser demasiado emocionante, estos movimientos se unen para crear algo nuevo, un ejemplo de lo que los científicos denominan fenómenos emergentes, que pueden albergar capacidades que no podíamos imaginar antes", dijoHaidan Wen, físico de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne XSD.
Estos vórtices son de hecho pequeños: alrededor de cinco o seis nanómetros de ancho, miles de veces más pequeños que el ancho de un cabello humano, o aproximadamente el doble de ancho que una sola hebra de ADN. Sin embargo, su dinámica no se puede ver en unentorno típico de laboratorio. Deben activarse para actuar aplicando un campo eléctrico ultrarrápido.
Todo lo cual hace que sean difíciles de observar y caracterizar. Wen y su colega, John Freeland, un físico senior en el XSD de Argonne, han pasado años estudiando estos vórtices, primero con los rayos X ultrabrillantes de la Fuente de Fotones Avanzada APS en Argonne, y más recientemente con las capacidades de láser de electrones libres de la fuente de luz coherente LINAC LCLS en el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. Tanto el APS como el LCLS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Con el APS, los investigadores pudieron usar láseres para crear un nuevo estado de la materia y obtener una imagen completa de su estructura mediante difracción de rayos X. En 2019, el equipo, dirigido conjuntamente por Argonne y la Universidad Estatal de Pensilvania, informósus hallazgos en una historia de portada de Nature Materials, en particular que los vórtices se pueden manipular con pulsos de luz. Los datos se tomaron en varias líneas de luz de APS: 7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM y 33-ID-C.
"Aunque este nuevo estado de la materia, el llamado supercristal, no existe de forma natural, se puede crear iluminando capas delgadas cuidadosamente diseñadas de dos materiales distintos usando luz", dijo Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física.en Penn State.
"Se hizo mucho trabajo para medir el movimiento de un objeto diminuto", dijo Freeland. "La pregunta era, ¿cómo vemos estos fenómenos con rayos X? Pudimos ver que había algo interesante con el sistema, algopodríamos ser capaces de caracterizar con sondas de escala de tiempo ultrarrápidas ".
El APS pudo tomar instantáneas de estos vórtices en escalas de tiempo de nanosegundos, cien millones de veces más rápido de lo que se necesita para parpadear, pero el equipo de investigación descubrió que esto no era lo suficientemente rápido.
"Sabíamos que debía estar sucediendo algo emocionante que no podíamos detectar", dijo Wen. "Los experimentos de APS nos ayudaron a determinar dónde queremos medir, en escalas de tiempo más rápidas a las que no pudimos acceder en el APS. PeroLCLS, nuestra instalación hermana en SLAC, proporciona las herramientas exactas necesarias para resolver este rompecabezas ".
Con su investigación previa en la mano, Wen y Freeland se unieron a colegas de SLAC y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE Laboratorio de Berkeley - Gopalan y Long-Qing Chen de la Universidad Estatal de Pensilvania; Jirka Hlinka, jefa del Departamento de Dieléctricos en elInstituto de Física de la Academia Checa de Ciencias; Paul Evans de la Universidad de Wisconsin, Madison; y sus equipos, para diseñar un nuevo experimento que pudiera decirles cómo se comportan estos átomos y si ese comportamiento podría controlarse.Utilizando lo que aprendieron en APS, el equipo, incluidos los autores principales del nuevo artículo, Qian Li y Vladimir Stoica, ambos investigadores posdoctorales en APS en el momento de este trabajo, prosiguieron las investigaciones en el LCLS en SLAC..
"LCLS utiliza haces de rayos X para tomar instantáneas de lo que hacen los átomos en escalas de tiempo no accesibles a los aparatos de rayos X convencionales", dijo Aaron Lindenberg, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y ciencias de fotones en la Universidad de Stanford y SLAC.La dispersión de rayos X puede trazar un mapa de estructuras, pero se necesita una máquina como LCLS para ver dónde están los átomos y rastrear cómo se mueven dinámicamente a velocidades increíblemente rápidas ".
Usando un nuevo material ferroeléctrico diseñado por Ramamoorthy Ramesh y Lane Martin en Berkeley Lab, el equipo pudo excitar un grupo de átomos en movimiento giratorio mediante un campo eléctrico a frecuencias de terahercios, la frecuencia que es aproximadamente 1,000 veces más rápida que el procesador ensu teléfono celular. Pudieron capturar imágenes de esos giros en escalas de tiempo de femtosegundos. Un femtosegundo es una cuadrillonésima parte de un segundo; es un período de tiempo tan corto que la luz solo puede viajar aproximadamente la longitud de una pequeña bacteria antes de que termine.
Con este nivel de precisión, el equipo de investigación vio un nuevo tipo de movimiento que no había visto antes.
"A pesar de que los teóricos se han interesado en este tipo de movimiento, las propiedades dinámicas exactas de los vórtices polares permanecieron nebulosas hasta la finalización de este experimento", dijo Hlinka. "Los hallazgos experimentales ayudaron a los teóricos a refinar el modelo, proporcionando una visión microscópica delas observaciones experimentales. Fue una verdadera aventura revelar este tipo de danza atómica concertada. "
Este descubrimiento abre un nuevo conjunto de preguntas que requerirán más experimentos para responder, y las actualizaciones planificadas de las fuentes de luz APS y LCLS ayudarán a impulsar esta investigación más. LCLS-II, ahora en construcción, aumentará su X-pulsos de rayos de 120 a 1 millón por segundo, lo que permite a los científicos observar la dinámica de los materiales con una precisión sin precedentes.
Y la actualización APS, que reemplazará el anillo de almacenamiento de electrones actual con un modelo de última generación que aumentará el brillo de los rayos X coherentes hasta 500 veces, permitirá a los investigadores obtener imágenes de objetos pequeños como estosvórtices con resolución nanométrica.
Los investigadores ya pueden ver las posibles aplicaciones de este conocimiento. El hecho de que estos materiales se puedan ajustar aplicando pequeños cambios abre una amplia gama de posibilidades, dijo Lindenberg.
"Desde una perspectiva fundamental, estamos viendo un nuevo tipo de materia", dijo. "Desde una perspectiva tecnológica del almacenamiento de información, queremos aprovechar lo que está sucediendo en estas frecuencias para el almacenamiento de alta velocidad y gran ancho de bandatecnología. Estoy entusiasmado con el control de las propiedades de este material, y este experimento muestra posibles formas de hacerlo en un sentido dinámico, más rápido de lo que creíamos posible ".
Wen y Freeland estuvieron de acuerdo y señalaron que estos materiales pueden tener aplicaciones en las que nadie ha pensado todavía.
"No quieres algo que haga lo que hace un transistor, porque ya tenemos transistores", dijo Freeland. "Entonces buscas nuevos fenómenos. ¿Qué aspectos pueden traer? Buscamos objetos con mayor velocidad. Esto esqué inspira a las personas. ¿Cómo podemos hacer algo diferente? "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Original escrito por Andre Salles. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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