Físicos revelam o ‘vórtice 3D’ de ferroeletricidade de dimensão zero

Pesquisadores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia, em colaboração com várias instituições, confirmaram experimentalmente a distribuição de polarização em forma de vórtice 3D dentro de nanopartículas fotovoltaicas. Usando tomografia eletrônica atômica, eles mapearam as posições atômicas nas nanopartículas de titanato de bário e calcularam a distribuição de polarização interna. Esta descoberta confirma previsões teóricas feitas há 20 anos e tem potencial para o desenvolvimento de dispositivos de memória ultradensos.

a kaistA equipe de pesquisa que ele lidera demonstrou com sucesso a distribuição tridimensional da polarização interna em nanopartículas ferroelétricas, abrindo caminho para dispositivos de memória avançados capazes de armazenar 10.000 vezes mais dados do que as tecnologias atuais.

Materiais que permanecem magnetizados de forma independente, sem a necessidade de um campo magnético externo, são conhecidos como ferromagnetos. Da mesma forma, a ferroeletricidade pode manter um estado de polarização por si só, sem qualquer campo elétrico externo, atuando como equivalente elétrico dos ferromagnetos.

Sabe-se que os ferromagnetos perdem suas propriedades magnéticas quando reduzidos a tamanhos em nanoescala abaixo de um determinado limite. O que acontece quando os materiais ferroelétricos são feitos de forma idêntica em um volume muito pequeno em todas as direções (ou seja, em uma estrutura adimensional como as nanopartículas) tem sido objeto de controvérsia há muito tempo.

A equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Youngsu Yang do Departamento de Física da KAUST elucidou, pela primeira vez, a distribuição de polarização em forma de vórtice 3D dentro de nanopartículas ferroelétricas por meio de pesquisa colaborativa internacional com POSTECH, SNU, KBSI e LBNL. E a Universidade de Arkansas.

Cerca de 20 anos atrás, o professor Laurent Belich (agora na Universidade de Arkansas) e seus colegas previram teoricamente que uma forma única de distribuição de polarização, disposta na forma de um vórtice toroidal, poderia ocorrer dentro de nanopontos ferroelétricos. Eles também sugeriram que, se essa distribuição de vórtices pudesse ser controlada adequadamente, ela poderia ser aplicada a dispositivos de memória de alta densidade com capacidades 10.000 vezes maiores que os dispositivos existentes. No entanto, o esclarecimento experimental não foi alcançado devido à dificuldade de medir a distribuição da polarização 3D dentro de nanoestruturas ferroelétricas.

Técnicas avançadas em tomografia eletrônica

A equipe de pesquisa do KAIST resolveu esse desafio de 20 anos implementando uma técnica chamada tomografia eletrônica atômica. Essa tecnologia funciona adquirindo imagens de microscópio eletrônico de transmissão com resolução atômica de nanomateriais de vários ângulos de inclinação e, em seguida, reconstruindo-as de volta em estruturas 3D usando algoritmos avançados de reconstrução. A tomografia eletrônica pode ser entendida como o mesmo método utilizado nas tomografias computadorizadas utilizadas em hospitais para visualizar órgãos internos em três dimensões; A equipe KAIST adaptou-o exclusivamente aos nanomateriais, usando microscopia eletrônica em uma única amostra.milho nível.

Distribuição tridimensional de polarização de nanopartículas de BaTiO3 revelada por tomografia eletrônica atômica. (Esquerda) Esquema da técnica de tomografia eletrônica, que envolve a aquisição de imagens de microscópio eletrônico de transmissão em vários ângulos de inclinação e sua reconstrução em estruturas atômicas 3D. (Médio) A distribuição de polarização 3D foi determinada experimentalmente dentro de uma nanopartícula de BaTiO3 por meio de tomografia eletrônica atômica. Uma estrutura semelhante a um vórtice é claramente visível perto da parte inferior (ponto azul). (Direita) Seção transversal 2D da distribuição de polarização, cortada em fatias finas no centro do vórtice, e juntas a cor e as setas indicam a direção da polarização. Uma estrutura de vórtice distinta pode ser observada.

Usando tomografia eletrônica atômica, a equipe mediu as posições de todos os átomos de cátions dentro das nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3), um material ferroelétrico, em três dimensões. Com arranjos atômicos 3D definidos com precisão, eles foram capazes de calcular ainda mais a distribuição de polarização interna 3D no nível de um único átomo. A análise da distribuição de polarização revelou, pela primeira vez experimentalmente, que arranjos de polarização topológica, incluindo vórtices, antivórtices, skyrmions e o ponto de Bloch, ocorrem dentro de ferroelétricos de dimensão zero, como previsto teoricamente há 20 anos. Além disso, também foi descoberto que o número de vórtices internos pode ser controlado pelos seus tamanhos.

O professor Sergei Brusandev e o professor Belich (que juntamente com outros colegas propuseram o arranjo de vórtices polares teoricamente há 20 anos) juntaram-se a esta colaboração e também demonstraram que os resultados da distribuição de vórtices obtidos em experiências concordam com os cálculos teóricos.
Ao controlar o número e a direção dessas distribuições de polarização, espera-se que isso possa ser aproveitado em dispositivos de memória de alta densidade de próxima geração que possam armazenar mais de 10.000 vezes a quantidade de informações no próprio dispositivo em comparação com os dispositivos existentes.

Dr Yang, que liderou a pesquisa, explicou a importância das descobertas, dizendo: “Este resultado indica que controlar apenas o tamanho e a forma dos materiais ferroelétricos, sem a necessidade de ajustar o substrato ou as influências ambientais circundantes, como o estresse epitaxial, pode manipular vórtices ferroelétricos ou outros arranjos topológicos em larga escala.” A nanotecnologia pode então aplicar mais pesquisas ao desenvolvimento da próxima geração de memória ultradensa.

Referência: “Revelando a Ordem Tridimensional da Topologia Polar em 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 e Youngsoo Yang, 8 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Este estudo foi apoiado principalmente por doações da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiadas pelo governo coreano (MSIT).