Los físicos revelan el ‘vórtice 3D’ de ferroelectricidad de dimensión cero

a kaistEl equipo de investigación que dirige ha demostrado con éxito la distribución de polarización interna tridimensional en nanopartículas ferroeléctricas, allanando el camino para dispositivos de memoria avanzados capaces de almacenar 10.000 veces más datos que las tecnologías actuales.

Los materiales que permanecen magnetizados de forma independiente, sin necesidad de un campo magnético externo, se conocen como ferroimanes. Asimismo, la ferroelectricidad puede mantener un estado de polarización por sí sola, sin ningún campo eléctrico externo, actuando como el equivalente eléctrico de los ferroimanes.

Se sabe que los ferromagnetos pierden sus propiedades magnéticas cuando se reducen a tamaños nanométricos por debajo de cierto umbral. Lo que sucede cuando los materiales ferroeléctricos se fabrican de manera idéntica en un volumen muy pequeño en todas las direcciones (es decir, en una estructura adimensional como las nanopartículas) ha sido objeto de controversia durante mucho tiempo.

El equipo de investigación dirigido por el Dr. Youngsu Yang del Departamento de Física de KAUST ha dilucidado, por primera vez, la distribución de polarización en forma de vórtice 3D dentro de nanopartículas ferroeléctricas a través de una investigación colaborativa internacional con POSTECH, SNU, KBSI y LBNL. Y la Universidad de Arkansas.

Hace unos 20 años, el profesor Laurent Belich (ahora en la Universidad de Arkansas) y sus colegas predijeron teóricamente que una forma única de distribución de polarización, dispuesta en forma de vórtice toroidal, podría ocurrir dentro de los nanopuntos ferroeléctricos. También sugirieron que si esta distribución de vórtices pudiera controlarse adecuadamente, podría aplicarse a dispositivos de memoria de alta densidad con capacidades 10.000 veces mayores que los dispositivos existentes. Sin embargo, no se ha logrado una aclaración experimental debido a la dificultad de medir la distribución de polarización 3D dentro de nanoestructuras ferroeléctricas.

Técnicas avanzadas en tomografía electrónica.

El equipo de investigación de KAIST ha resuelto este desafío de 20 años implementando una técnica llamada tomografía electrónica atómica. Esta tecnología funciona adquiriendo imágenes de nanomateriales mediante microscopio electrónico de transmisión con resolución atómica desde múltiples ángulos de inclinación y luego reconstruyéndolas en estructuras 3D utilizando algoritmos de reconstrucción avanzados. La tomografía electrónica puede entenderse como el mismo método que se utiliza en las tomografías computarizadas que se utilizan en los hospitales para visualizar los órganos internos en tres dimensiones; El equipo de KAIST lo adaptó de forma única a nanomateriales, utilizando microscopía electrónica en una sola muestra.maíz nivel.

Distribución de polarización tridimensional de nanopartículas de BaTiO3 revelada por tomografía electrónica atómica. (Izquierda) Esquema de la técnica de tomografía electrónica, que implica adquirir imágenes de microscopio electrónico de transmisión en múltiples ángulos de inclinación y reconstruirlas en estructuras atómicas en 3D. (Centro) La distribución de polarización 3D se determinó experimentalmente dentro de una nanopartícula de BaTiO3 mediante tomografía electrónica atómica. Cerca de la parte inferior se ve claramente una estructura similar a un vórtice (punto azul). (Derecha) Sección transversal 2D de la distribución de polarización, cortada finamente en el centro del vórtice, y juntos el color y las flechas indican la dirección de polarización. Se puede observar una estructura de vórtice distinta.

Utilizando tomografía electrónica atómica, el equipo midió las posiciones de todos los átomos catiónicos dentro de nanopartículas de titanato de bario (BaTiO3), un material ferroeléctrico, en tres dimensiones. Con disposiciones atómicas 3D definidas con precisión, pudieron calcular aún más la distribución de polarización interna 3D a nivel de un solo átomo. El análisis de la distribución de polarización ha revelado, por primera vez de forma experimental, que las disposiciones de polarización topológica, incluidos los vórtices, antivórtices, skyrmions y el punto de Bloch, se producen dentro de ferroeléctricos de dimensión cero, como se predijo teóricamente hace 20 años. Además, también se ha descubierto que el número de vórtices internos puede controlarse mediante su tamaño.

El profesor Sergei Brusandev y el profesor Belich (quien junto con otros colegas propusieron teóricamente la disposición de los vórtices polares hace 20 años) se unieron a esta colaboración y también demostraron que los resultados de la distribución de los vórtices obtenidos de los experimentos concuerdan con los cálculos teóricos.
Al controlar el número y la dirección de estas distribuciones de polarización, se espera que esto pueda aprovecharse en dispositivos de memoria de alta densidad de próxima generación que pueden almacenar más de 10.000 veces la cantidad de información en el propio dispositivo en comparación con los dispositivos existentes.

El Dr. Yang, quien dirigió la investigación, explicó la importancia de los hallazgos y dijo: «Este resultado indica que controlar el tamaño y la forma de los materiales ferroeléctricos por sí solo, sin la necesidad de ajustar el sustrato o las influencias ambientales circundantes, como la tensión epitaxial, puede manipular Vórtices ferroeléctricos u otras disposiciones topológicas a gran escala”. La nanotecnología podrá entonces aplicar más investigaciones al desarrollo de la próxima generación de memoria ultradensa.

Referencia: “Revelando el orden tridimensional de la topología polar en nanopartículas” por Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich y Youngsoo Yang, 8 de mayo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Este estudio fue apoyado principalmente por subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el gobierno coreano (MSIT).