Los investigadores del KAIST, en colaboración con varias instituciones, han confirmado experimentalmente la distribución tridimensional de la polarización similar a un vórtice dentro de las nanopartículas ferroeléctricas. Utilizando tomografía electrónica atómica, mapearon posiciones atómicas en nanopartículas de titanato de bario y calcularon la distribución de polarización interna. Este descubrimiento confirma las predicciones teóricas hechas hace 20 años y tiene potencial para el desarrollo de dispositivos de memoria de densidad ultraalta.

A kaistEl equipo de investigación que dirigió demostró con éxito la distribución de polarización tridimensional interna en nanopartículas ferroeléctricas, allanando el camino para dispositivos de memoria avanzados capaces de almacenar más de 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, los ferroeléctricos pueden mantener un estado polarizado por sí solos sin ningún campo eléctrico externo, sirviendo como el equivalente eléctrico de los ferroimanes.

Es bien sabido que los ferromagnetos pierden sus propiedades magnéticas cuando se reducen a tamaños nanométricos por debajo de cierto umbral. Lo que sucede cuando los ferroeléctricos se hacen extremadamente pequeños en todas las direcciones (es decir, en una estructura de dimensión cero como las nanopartículas) ha sido durante mucho tiempo un tema de controversia.

Yongsoo Yang, del Departamento de Física de KAIST, ha aclarado experimentalmente, por primera vez, la distribución tridimensional de la polarización del vórtice dentro de nanopartículas ferroeléctricas a través de una investigación colaborativa internacional con POSTECH, SNU, KBSI, LBNL y la Universidad de Arkansas.

Hace unos 20 años, el profesor Laurent Bellaiche (actualmente 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 densidad ultraalta con capacidades 10.000 veces mayores que las existentes. Sin embargo, no se ha logrado una aclaración experimental debido a la dificultad de medir la distribución tridimensional de la polarización dentro de las nanoestructuras ferroeléctricas.

Técnicas Avanzadas en Tomografía Electrónica

El equipo de investigación de KAIST resolvió con éxito este desafío de 20 años implementando una técnica llamada tomografía electrónica atómica. Esta técnica funciona adquiriendo imágenes de nanomateriales mediante microscopio electrónico de transmisión con resolución atómica desde varios ángulos de inclinación y luego reconstruyéndolas en estructuras tridimensionales utilizando algoritmos de reconstrucción avanzados. La tomografía electrónica puede entenderse esencialmente como el mismo método que la tomografía computarizada utilizada en los hospitales para visualizar órganos internos en tres dimensiones; El equipo de KAIST lo adaptó exclusivamente para nanomateriales utilizando un microscopio electrónico de un solo nivel.átomo 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 varios ángulos de inclinación y reconstruirlas en estructuras atómicas en 3D. (Centro) Distribución de polarización tridimensional determinada 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) Una sección transversal bidimensional de la distribución de polarización, cortada en rodajas finas en el centro del vórtice, con el color y las flechas juntas indicando la dirección de polarización. Se puede observar una estructura de vórtice distinta.

Utilizando tomografía electrónica atómica, el equipo midió completamente las posiciones de los átomos catiónicos dentro de nanopartículas de titanato de bario (BaTiO3), un conocido material ferroeléctrico, en tres dimensiones. A partir de las disposiciones atómicas tridimensionales determinadas con precisión, pudieron calcular aún más la distribución tridimensional de polarización interna al nivel de un solo átomo. El análisis de la distribución de la polarización reveló, por primera vez de forma experimental, que los ordenamientos de polarización topológica, incluidos los vórtices, antivórtices, skyrmions y un punto de Bloch, ocurren dentro de los ferroeléctricos de dimensión 0, como se predijo teóricamente hace 20 años. Además, también se descubrió que el número de vórtices internos se puede controlar en función de su tamaño.

El profesor Sergey Prosandeev y el profesor Bellaiche (quien propuso junto con otros compañeros de trabajo el ordenamiento teórico de los vórtices polares hace 20 años), se unieron a esta colaboración y demostraron además que los resultados de la distribución de los vórtices obtenidos en los experimentos son consistentes con esos cálculos teóricos.
Al controlar el número y la orientación de estas distribuciones de polarización, se espera que esto pueda utilizarse en dispositivos de memoria de alta densidad de próxima generación que puedan almacenar más de 10.000 veces la cantidad de información en un dispositivo del mismo tamaño en comparación con los existentes.

Yang, quien dirigió la investigación, explicó la importancia de los resultados: “Este resultado sugiere que controlar solo el tamaño y la forma de los ferroeléctricos, sin la necesidad de ajustar el sustrato o los efectos ambientales circundantes, como la tensión epitaxial, puede manipular los vórtices ferroeléctricos. otros ordenamientos topológicos a nanoescala. Luego se podrían aplicar más investigaciones al desarrollo de memorias de densidad ultraalta de próxima generación”.

Referencia: “Revelando la disposición tridimensional de la topología polar en nanopartículas” por Chaehwa Jeong, Juhyeok Lee, Hyesung Jo, Jaewhan Oh, Hionsuck Baik, Kyoung-June Go, Junwoo Son, Si-Young Choi, Sergey Prosandeev, Laurent Bellaiche, y Yongsoo Yang, 8 de mayo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48082-x

El estudio fue financiado principalmente por subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT).