Nuestra alta velocidad, El mundo del 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. En años recientes, sin embargo, investigadores e ingenieros han recurrido a materiales ferroeléctricos, 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 Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha descubierto nuevos conocimientos sobre el comportamiento de estos vórtices, conocimientos que pueden ser el primer paso para utilizarlos de forma rápida, procesamiento y almacenamiento de datos versátil.

¿Qué es tan importante sobre el comportamiento de grupos de átomos en estos materiales? Por una cosa, estos vórtices polares son nuevos descubrimientos intrigantes, incluso cuando están sentados y quietos. Por otro, esta nueva investigación, publicado 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 los 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. "dijo Haidan Wen, físico de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne (XSD).

Estos vórtices son realmente pequeños, de unos cinco o seis nanómetros de ancho, miles de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, o aproximadamente el doble de ancho que una sola hebra de ADN. Su dinámica, sin embargo, no se puede ver en un entorno de laboratorio típico. Deben excitarse para que entren en acción aplicando un campo eléctrico ultrarrápido.

Todo lo cual los hace difíciles de observar y caracterizar. Wen y su colega, John Freeland, un físico senior en XSD de Argonne, he 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 APS como LCLS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Usando el APS, Los investigadores pudieron utilizar 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, informó sus hallazgos en un Materiales de la naturaleza artículo de portada, lo más notable es que los vórtices se pueden manipular con pulsos de luz. Los datos se tomaron en varias líneas de luz APS:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM y 33-ID-C.

"Aunque este nuevo estado de la materia, un llamado supercristal, no existe naturalmente, 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 trabajó mucho para medir el movimiento de un objeto diminuto, Freeland dijo. La pregunta era:¿Cómo vemos estos fenómenos con rayos X? Pudimos ver que había algo interesante con el sistema, algo que podríamos 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 algo emocionante debía estar sucediendo que no pudimos 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. Pero LCLS, 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, jefe del Departamento de Dieléctricos del Instituto 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 les diga cómo se comportan estos átomos, y si ese comportamiento podría controlarse. Usando lo que aprendieron en APS, el equipo, incluidos los autores principales del nuevo artículo, Quan Li de la Universidad de Tsinghua y Vladimir Stoica de la Universidad Estatal de Pensilvania, ambos investigadores postdoctorales de la APS — realizaron más investigaciones en la LCLS de 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 un movimiento giratorio mediante un campo eléctrico a frecuencias de terahercios, la frecuencia es aproximadamente 1, 000 veces más rápido que el procesador de tu teléfono celular. Luego 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 bacteria pequeña 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 por este tipo de movimiento, las propiedades dinámicas exactas de los vórtices polares permanecieron confusas hasta la finalización de este experimento, ", Dijo Hlinka." Los hallazgos experimentales ayudaron a los teóricos a refinar el modelo, proporcionando una visión microscópica de las 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 allá. LCLS-II, ahora en construcción, aumentará sus pulsos de rayos X de 120 a 1 millón por segundo, permitiendo a los científicos observar la dinámica de los materiales con una precisión sin precedentes.

Y la actualización de APS, que reemplazará el actual anillo de almacenamiento de electrones 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 estos vórtices con una resolución nanométrica.

Los investigadores ya pueden ver las posibles aplicaciones de este conocimiento. El hecho de que estos materiales se puedan afinar aplicando pequeños cambios abre un amplio abanico 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 alta velocidad, tecnología de almacenamiento de gran ancho de banda. Estoy emocionado por controlar las propiedades de este material, y este experimento muestra posibles formas de hacer esto en un sentido dinámico, más rápido de lo que creíamos posible ".

Wen y Freeland estuvieron de acuerdo, señalando 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 aportar? Buscamos objetos con mayor velocidad. Esto es lo que inspira a la gente. ¿Cómo podemos hacer algo diferente? "