探索和操纵材料中极地涡旋的行为可能会导致新技术的出现堂本刚

探索和操纵材料中极地涡旋的行为可能会导致新技术的出现

我们的高速，高带宽世界不断需要新的方式来处理和存储信息。数十年来，半导体和磁性材料已构成数据存储设备的主体。但是，近年来，研究人员和工程师已经转向铁电材料，一种可以用电操纵的晶体

2016年，随着材料结构中极性涡旋的发现，铁电学的研究变得更加有趣。现在，由美国能源部阿尔贡国家实验室领导的一组研究人员发现了有关这些涡旋行为的新见解，这些见解可能是将它们用于快速，通用数据处理和存储的第一步。

这些材料中原子团的行为有什么重要的意义？一方面，即使它们静止不动，这些极地涡旋仍吸引着新发现。另外，这项新研究作为《自然》杂志的封面故事出版，揭示了它们的运动方式。这种新型的螺旋状原子运动可以被诱使发生，并且可以被操纵。对于这种材料在未来的数据处理和存储设备中的潜在用途而言，这是个好消息。

“尽管单个原子的运动可能不会太令人兴奋，但这些运动共同创造出新的东西-科学家称之为新兴现象的一个例子-可能具有我们以前无法想象的能力，”海丹·温说。是Argonne X射线科学部的物理学家。

这些涡流确实很小-大约五到六纳米宽，比人发的宽度小数千倍，或者是单链DNA的两倍。但是，在典型的实验室环境中看不到它们的动态。他们需要通过施加超快电场来激发其行动。

所有这些使它们难以观察和表征。温和他的同事约翰·弗里兰德是阿贡XSD的高级物理学家，他们花了很多年研究这些涡旋，首先是在阿贡使用先进光子源的超亮X射线，最近才有了自由电子激光功能美国能源部SLAC国家加速器实验室的LINAC相干光源的设计。APS和LCLS都是DOE科学办公室用户设施办公室。

使用APS，研究人员能够使用激光创建新的物质状态，并使用X射线衍射获得其结构的全面图片。在2019年，由阿贡和宾夕法尼亚州立大学联合领导的研究小组在《自然材料》封面故事中报告了他们的发现，最值得注意的是旋涡可以通过光脉冲进行操纵。在几条APS光束线上采集数据：7-ID-C，11-ID-D，33-BM和33-ID-C。

宾夕法尼亚大学材料科学与工程与物理学教授Venkatraman Gopalan表示：“虽然这种自然状态并不自然存在，所谓的超晶体，但可以通过使用光照射精心设计的两种不同材料的薄层来创建。”状态。

弗里兰德说：“在测量微小物体的运动方面做了很多工作。” “问题是，我们如何用X射线看到这些现象？我们可以看到系统中有一些有趣的东西，也许我们可以用超快的时标探头来表征。”

APS能够以纳秒级的时间尺度拍摄这些漩涡的快照-比眨眼的速度快一亿倍-但研究团队发现这还不够快。

温家宝说：“我们知道某些激动人心的事情正在发生，我们无法察觉。” “ APS实验帮助我们以无法在APS上访问的更快的时间尺度来确定我们要测量的位置。但是，SLAC的姊妹机构LCLS提供了解决这一难题所需的确切工具。”

Wen和Freeland掌握了先前的研究成果，并加入了SLAC和DOE的Lawrence Berkeley国家实验室的同事-宾夕法尼亚州立大学的Gopalan和Chen Long-Qing；捷克科学院物理研究所介电系主任Jirka Hlinka；威斯康星大学麦迪逊分校的Paul Evans；和他们的团队-设计一个新的实验，该实验将能够告诉他们这些原子的行为，以及该行为是否可以控制。利用他们在APS上学到的知识，该团队-包括新论文的主要作者Qian Li和Vladimir Stoica，在撰写本文时都是APS的博士后研究人员-在SLAC的LCLS进行了进一步的研究。

斯坦福大学和SLAC材料科学与工程和光子科学副教授亚伦·林登伯格表示：“ LCLS使用X射线束以快照的方式拍摄原子在做什么，而这些时间尺度是常规X射线设备无法达到的。“ X射线散射可以勾勒出结构，但是需要像LCLS这样的机器来观察原子在哪里，并跟踪原子如何以难以想象的快速速度动态运动。”

通过使用由伯克利实验室的Ramamoorthy Ramesh和Lane Martin设计的新型铁电材料，该团队能够通过太赫兹频率的电场将一组原子激发成漩涡运动，该频率大约比单元中的处理器快1,000倍。电话。然后，他们能够在飞秒的时间范围内捕获这些自旋的图像。飞秒是一秒的万亿分之一秒-在如此短的时间内，光只能在小细菌的长度范围内传播，然后才能结束。

有了如此高的精确度，研究团队看到了一种前所未有的新型运动。

Hlinka说：“尽管理论家对这种运动感兴趣，但是直到实验完成，极涡旋的确切动力学特性仍然不清楚。” “实验结果帮助理论家改进了模型，在实验观察中提供了微观的见解。揭示这种协调一致的原子舞是一次真正的冒险。”

这一发现带来了一系列新问题，需要进一步的实验来回答，而计划中的APS和LCLS光源升级将有助于进一步推动这项研究。正在建设中的LCLS-II将把其X射线脉冲从每秒120个增加到每秒100万个，使科学家能够以前所未有的精度观察材料的动力学。

而且，APS升级版将用最新的模型取代当前的电子存储环，该模型将使相干X射线的亮度提高多达500倍，这将使研究人员能够利用这些图像对像这些涡旋的小物体成像纳米分辨率。

研究人员已经可以看到该知识的可能应用。Lindenberg说，可以通过进行较小的更改就可以对这些材料进行调整，这一事实开辟了广泛的可能性。

他说：“从根本上看，我们正在看到一种新的事物。” “从信息存储的技术角度来看，我们希望利用在这些频率下发生的事情来进行高速，高带宽的存储技术。对于控制这种材料的性能，我感到很兴奋，并且该实验表明了实现这种方法的可能方法。以动态的方式做到这一点，比我们想象的要快。”

Wen和Freeland同意，并指出这些材料可能具有尚未有人想到的应用。

弗里兰德说：“您不想要能做晶体管的事情，因为我们已经有晶体管了。” “因此，您正在寻找新现象。它们可以带来什么方面？我们正在寻找速度更快的物体。这就是人们的灵感所在。我们如何做些不同的事情？”

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