Трехмерное поляризационное распределение наночастиц BaTiO₃, выявленное методом атомно-электронной томографии. (Слева) Схема метода электронной томографии, который включает получение изображений просвечивающего электронного микроскопа под разными углами наклона и реконструкцию их в трехмерные атомные структуры. (В центре) Экспериментально определенное трехмерное распределение поляризации внутри наночастицы BaTiO 3 с помощью атомной электронной томографии. Внизу отчетливо видна вихреподобная структура (синяя точка). (Справа) Двумерное поперечное сечение распределения поляризации, тонко нарезанное в центре вихря, причем цвет и стрелки вместе указывают направление поляризация. Наблюдается отчетливая вихревая структура.
Фото: Лаборатория многомерной атомной визуализации (MDAIL) KAIST.

Материалы, которые могут сохранять намагниченное состояние сами по себе, без внешнего магнитного поля (т. е. постоянные магниты), называются ферромагнетиками. Сегнетоэлектрики можно рассматривать как электрический аналог ферромагнетиков, поскольку они сохраняют поляризованное состояние без внешнего электрического поля.

Хорошо известно, что ферромагнетики теряют свои магнитные свойства при уменьшении до наноразмеров ниже определенного порога. Что происходит, когда сегнетоэлектрики аналогичным образом делают чрезвычайно маленькими во всех направлениях (т. е. превращают их в нульмерную структуру, такую как наночастицы), долгое время было предметом споров.

Исследовательская группа под руководством доктора Ёнсу Янга с факультета физики KAIST впервые экспериментально прояснила трехмерное вихревое распределение поляризации внутри сегнетоэлектрических наночастиц посредством международных совместных исследований с POSTECH, SNU, KBSI, LBNL. и Университет Арканзаса.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications в статье под названием «Выявление трехмерного расположения полярной топологии в наночастицах».

Около 20 лет назад профессор Лоран Беллаиш (в настоящее время работает в Университете Арканзаса) и его коллеги теоретически предсказали, что внутри сегнетоэлектрических наноточек может возникать уникальная форма распределения поляризации, имеющая тороидальную вихревую форму. Они также предположили, что если этим распределением вихрей можно будет должным образом управлять, его можно будет применить к устройствам памяти сверхвысокой плотности с емкостью более чем в 10 000 раз большей, чем существующие.

Однако экспериментальное разъяснение не было достигнуто из-за сложности измерения трехмерного распределения поляризации внутри сегнетоэлектрических наноструктур. Теперь исследовательская группа KAIST успешно решила эту 20-летнюю задачу, внедрив метод, называемый атомно-электронной томографией.

Этот метод работает путем получения изображений наноматериалов с просвечивающим электронным микроскопом с атомным разрешением под разными углами наклона, а затем реконструирует их обратно в трехмерные структуры с использованием передовых алгоритмов реконструкции.

Электронную томографию можно понимать как, по сути, тот же метод, который используется при компьютерной томографии в больницах для просмотра внутренних органов в трех измерениях; команда KAIST уникально адаптировала его для наноматериалов, используя электронный микроскоп на уровне одного атома.

Используя атомно-электронную томографию, команда полностью измерила положения атомов катионов внутри наночастиц титаната бария (BaTiO₃), известного сегнетоэлектрического материала, в трех измерениях. На основе точно определенного трехмерного расположения атомов они смогли дополнительно рассчитать внутреннее трехмерное распределение поляризации на уровне одного атома.

Анализ распределения поляризации впервые экспериментально показал, что внутри нульмерных сегнетоэлектриков возникают топологические поляризационные упорядочения, включая вихри, антивихри, скирмионы и точку Блоха, как теоретически было предсказано 20 лет назад. Кроме того, было также обнаружено, что числом внутренних вихрей можно управлять в зависимости от их размеров.

Профессор Сергей Просандеев и профессор Беллаиш (которые вместе с другими коллегами предложили теоретическое упорядочение полярных вихрей 20 лет назад) присоединились к этому сотрудничеству и доказали, что результаты распределения вихрей, полученные в ходе экспериментов, согласуются с теоретическими расчетами.

Ожидается, что, контролируя количество и ориентацию этих распределений поляризации, это можно будет использовать в устройстве памяти с высокой плотностью записи следующего поколения, которое сможет хранить более чем в 10 000 раз больше информации в устройстве того же размера по сравнению с существующими устройствами.

Доктор Янг, возглавлявший исследование, объяснил значимость результатов: «Этот результат предполагает, что управление размером и формой сегнетоэлектриков само по себе, без необходимости настройки подложки или эффектов окружающей среды, таких как эпитаксиальная деформация, может манипулировать сегнетоэлектрическими вихрями или другие топологические упорядочения на наноуровне. Дальнейшие исследования могут быть применены к разработке памяти следующего поколения со сверхвысокой плотностью».