作者:Ramamoorthy Ramesh 来源:《自然》 发布时间:2021/4/15 14:45:46
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科学家揭示铁电体材料小漩涡奥秘

 

 在铁电材料中移动的极涡的艺术图   图片来源:Ellen Weiss/阿贡国家实验室

我们这个高速的世界不断需要新方式处理和存储信息。几十年来,半导体和磁性材料一直是数据存储设备的主要组成部分。然而,近年来,研究人员和工程师转向了铁电材料,这是一种可以用电操纵的晶体。

2016年,由于科学家发现了铁电体结构中的极涡(本质上是螺旋形原子群),铁电体研究变得更加有趣。现在,由美国能源部阿贡国家实验室领导的一组研究人员,发现了这些漩涡行为的新见解,这些见解可能是将它们用于快速、通用的数据处理和存储的第一步。

这些材料中原子群的行为有什么重要的?一方面,这些极涡本身就是有趣的新发现,即使它们只静止不动。另一方面,作为《自然》封面故事发表的这项新研究揭示了它们是如何移动的。研究人员表示,这种新型的螺旋形原子运动可以诱导发生,也可以操纵。对于这种材料在未来数据处理和存储设备上的潜在应用来说,这是个好消息。

“虽然单个原子的运动可能不是太令人兴奋,但这些运动结合在一起就创造出了一些新的东西,它可能具有我们以前无法想象的能力。”阿贡国家实验室物理学家Haidan Wen说。

这些漩涡确实很小——大约5到6纳米宽,比人类头发的宽度小数千倍,或者是单链DNA的两倍宽。然而,它们的动态在典型实验室环境中是看不到的。它们需要通过施加一个超快电场来激发。

之前,借助先进光子源,研究人员能够使用激光创造一种新的物质状态,并通过x射线衍射获得其结构的全面图像。

这次,使用一种由加州大学伯克利分校的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激发一组原子进行旋转运动,这个频率大约是手机处理器的1000倍。他们能够在飞秒时间尺度捕捉到这些自旋的图像。一飞秒是千万亿分之一秒。

在如此高的精确度下,研究小组发现了一种他们以前从未见过的新型运动。

研究人员表示,尽管理论学家对这种运动很感兴趣,但在这个实验完成之前,极涡的确切动力学性质仍然模糊不清。该发现帮助理论学家完善了模型,为实验观察提供了微观视角。

这一发现还提出了一系列新的问题,需要进一步的实验来回答,而APS和LCLS等光源的计划升级将有助于进一步推动这一研究。目前正在建造的LCLS-II将把它的x射线脉冲从每秒120万次增加到每秒100万次,使科学家能够以前所未有的精度观察材料的动态。(来源:中国科学报 鲁亦)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03342-4

 
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