Nossa alta velocidade, O mundo de alta largura de banda exige constantemente novas maneiras de processar e armazenar informações. Semicondutores e materiais magnéticos compõem a maior parte dos dispositivos de armazenamento de dados há décadas. Nos últimos anos, Contudo, pesquisadores e engenheiros se voltaram para materiais ferroelétricos, um tipo de cristal que pode ser manipulado com eletricidade.

Em 2016, o estudo da ferroelétrica ficou mais interessante com a descoberta de vórtices polares - essencialmente agrupamentos de átomos em forma de espiral - dentro da estrutura do material. Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriu novos insights sobre o comportamento desses vórtices, percepções que podem ser o primeiro passo para usá-los rapidamente, processamento e armazenamento versáteis de dados.

O que há de tão importante no comportamento de grupos de átomos nesses materiais? Por uma coisa, esses vórtices polares são novas descobertas intrigantes, mesmo quando eles estão parados. Para outro, esta nova pesquisa, publicado como uma história de capa em Natureza , revela como eles se movem. Este novo tipo de movimento atômico espiralado pode ser persuadido a ocorrer, e pode ser manipulado. Essa é uma boa notícia para o uso potencial deste material em dispositivos futuros de processamento e armazenamento de dados.

"Embora o movimento de átomos individuais por si só possa não ser muito emocionante, esses movimentos se unem para criar algo novo - um exemplo do que os cientistas chamam de fenômenos emergentes - que pode hospedar capacidades que não podíamos imaginar antes, "disse Haidan Wen, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X (XSD) de Argonne.

Esses vórtices são realmente pequenos - cerca de cinco ou seis nanômetros de largura, milhares de vezes menor que a largura de um cabelo humano, ou cerca de duas vezes mais largo que uma única fita de DNA. Sua dinâmica, Contudo, não pode ser visto em um ambiente de laboratório típico. Eles precisam ser estimulados a agir aplicando um campo elétrico ultrarrápido.

Tudo o que os torna difíceis de observar e caracterizar. Wen e seu colega, John Freeland, um físico sênior no XSD de Argonne, passaram anos estudando esses vórtices, primeiro com os raios X ultrabright da Advanced Photon Source (APS) em Argonne, e mais recentemente com os recursos de laser de elétrons livres da LINAC Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory do DOE. Tanto o APS quanto o LCLS são instalações do usuário do DOE Office of Science.

Usando o APS, pesquisadores foram capazes de usar lasers para criar um novo estado da matéria e obter uma imagem abrangente de sua estrutura usando difração de raios-X. Em 2019, O time, liderado conjuntamente por Argonne e The Pennsylvania State University, relataram suas descobertas em um Materiais da Natureza história de capa, mais notavelmente que os vórtices podem ser manipulados com pulsos de luz. Os dados foram coletados em várias linhas de luz APS:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM e 33-ID-C.

"Embora este novo estado da matéria, um suposto supercristal, não existe naturalmente, ele pode ser criado iluminando camadas finas cuidadosamente projetadas de dois materiais distintos usando luz, "disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência dos materiais e engenharia e física na Penn State.

"Muito trabalho foi feito para medir o movimento de um objeto minúsculo, "Freeland disse." A questão era, como vemos esses fenômenos com raios-X? Pudemos ver que havia algo interessante com o sistema, algo que podemos ser capazes de caracterizar com sondas de escala de tempo ultrarrápidas. "

O APS foi capaz de tirar instantâneos desses vórtices em escalas de tempo de nanossegundos - cem milhões de vezes mais rápido do que leva para piscar os olhos - mas a equipe de pesquisa descobriu que isso não era rápido o suficiente.

"Sabíamos que algo emocionante devia estar acontecendo que não podíamos detectar, "Wen disse." Os experimentos APS nos ajudaram a identificar onde queremos medir, em escalas de tempo mais rápidas que não conseguimos acessar no APS. Mas LCLS, nossa unidade irmã no SLAC, fornece as ferramentas exatas necessárias para resolver esse quebra-cabeça. "

Com suas pesquisas anteriores em mãos, Wen e Freeland se juntaram a colegas do SLAC e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) - Gopalan e Long-Qing Chen da Universidade Estadual da Pensilvânia; Jirka Hlinka, chefe do Departamento de Dielétrica do Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências; Paul Evans, da University of Wisconsin, Madison; e suas equipes - para projetar um novo experimento que seria capaz de dizer a eles como esses átomos se comportam, e se esse comportamento pode ser controlado. Usando o que aprenderam na APS, a equipe, incluindo os principais autores do novo artigo, Quan Li da Universidade de Tsinghua e Vladimir Stoica da Universidade Estadual da Pensilvânia, ambos pesquisadores de pós-doutorado na APS - prosseguiram investigações no LCLS no SLAC.

"O LCLS usa feixes de raios-X para tirar instantâneos do que os átomos estão fazendo em escalas de tempo não acessíveis aos aparelhos convencionais de raios-X, "disse Aaron Lindenberg, professor associado de ciência de materiais e engenharia e ciências de fótons na Universidade de Stanford e SLAC. "O espalhamento de raios-X pode mapear estruturas, mas é necessária uma máquina como o LCLS para ver onde estão os átomos e rastrear como eles se movem dinamicamente a velocidades inimaginavelmente rápidas. "

Usando um novo material ferroelétrico projetado por Ramamoorthy Ramesh e Lane Martin no Berkeley Lab, a equipe foi capaz de excitar um grupo de átomos em movimento giratório por um campo elétrico em frequências terahertz, a frequência que é aproximadamente 1, 000 vezes mais rápido que o processador do seu celular. Eles foram capazes de capturar imagens dessas rotações em escalas de tempo de femtossegundos. Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo - é um período de tempo tão curto que a luz só pode viajar pelo comprimento de uma pequena bactéria antes de terminar.

Com este nível de precisão, a equipe de pesquisa viu um novo tipo de movimento que eles não tinham visto antes.

"Apesar de os teóricos terem se interessado por esse tipo de movimento, as propriedades dinâmicas exatas dos vórtices polares permaneceram nebulosas até a conclusão deste experimento, "Hlinka disse." As descobertas experimentais ajudaram os teóricos a refinar o modelo, fornecendo uma visão microscópica nas observações experimentais. Foi uma verdadeira aventura revelar esse tipo de dança atômica combinada. "

Essa descoberta abre um novo conjunto de perguntas que exigirão mais experimentos para responder, e as atualizações planejadas das fontes de luz APS e LCLS ajudarão a levar essa pesquisa adiante. LCLS-II, agora em construção, aumentará seus pulsos de raios-X de 120 para 1 milhão por segundo, permitindo que os cientistas vejam a dinâmica dos materiais com uma precisão sem precedentes.

E a atualização APS, que substituirá o atual anel de armazenamento de elétrons por um modelo de última geração que aumentará o brilho dos raios X coerentes em até 500 vezes, permitirá que os pesquisadores visualizem pequenos objetos como esses vórtices com resolução nanométrica.

Os pesquisadores já podem ver as possíveis aplicações desse conhecimento. O fato de que esses materiais podem ser ajustados pela aplicação de pequenas mudanças abre uma ampla gama de possibilidades, Lindenberg disse.

"De uma perspectiva fundamental, estamos vendo um novo tipo de assunto, "disse ele." De uma perspectiva tecnológica de armazenamento de informações, queremos aproveitar o que está acontecendo nessas frequências para alta velocidade, tecnologia de armazenamento de alta largura de banda. Estou animado para controlar as propriedades deste material, e este experimento mostra maneiras possíveis de fazer isso em um sentido dinâmico, mais rápido do que pensávamos ser possível. "

Wen e Freeland concordaram, observando que esses materiais podem ter aplicações que ninguém pensou ainda.

"Você não quer algo que faz o que um transistor faz, porque já temos transistores, "Freeland disse." Então você procura novos fenômenos. Que aspectos eles podem trazer? Procuramos objetos com maior velocidade. Isso é o que inspira as pessoas. Como podemos fazer algo diferente? "