Conception d'artiste de tourbillons polaires se déplaçant dans un matériau ferroélectrique. Ces petits groupes d'atomes doivent être excités avec des champs électriques à haute fréquence pour se déplacer, mais l'étude de leur comportement peut conduire à de nouvelles innovations dans le stockage et le traitement des données. Crédit :Haidan Wen/Laboratoire national d'Argonne.
Notre grande vitesse, le monde à large bande passante nécessite constamment de nouvelles façons de traiter et de stocker les informations. Les semi-conducteurs et les matériaux magnétiques constituent l'essentiel des dispositifs de stockage de données depuis des décennies. Dans les années récentes, cependant, chercheurs et ingénieurs se sont tournés vers les matériaux ferroélectriques, un type de cristal qui peut être manipulé avec de l'électricité.
En 2016, l'étude des ferroélectriques est devenue plus intéressante avec la découverte de tourbillons polaires - des groupements d'atomes essentiellement en forme de spirale - au sein de la structure du matériau. Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par le laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) a découvert de nouvelles informations sur le comportement de ces vortex, des informations qui peuvent être la première étape vers leur utilisation rapide, traitement et stockage de données polyvalents.
Qu'est-ce qui est si important dans le comportement des groupes d'atomes dans ces matériaux ? Pour une chose, ces tourbillons polaires intriguent de nouvelles découvertes, même lorsqu'ils sont simplement assis immobiles. Pour un autre, cette nouvelle recherche, publié en couverture dans La nature , révèle comment ils se déplacent. Ce nouveau type de mouvement atomique en spirale peut être amené à se produire, et peut être manipulé. C'est une bonne nouvelle pour l'utilisation potentielle de ce matériau dans les futurs dispositifs de traitement et de stockage de données.
"Bien que le mouvement des atomes individuels ne soit peut-être pas trop excitant, ces mouvements se rejoignent pour créer quelque chose de nouveau - un exemple de ce que les scientifiques appellent des phénomènes émergents - qui peut héberger des capacités que nous ne pouvions pas imaginer auparavant, " a déclaré Haidan Wen, un physicien à la Division des sciences des rayons X (XSD) d'Argonne.
Ces tourbillons sont en effet petits - environ cinq ou six nanomètres de large, des milliers de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, ou environ deux fois plus large qu'un simple brin d'ADN. Leur dynamique, cependant, ne peut pas être vu dans un environnement de laboratoire typique. Ils doivent être excités pour passer à l'action en appliquant un champ électrique ultrarapide.
Tout cela les rend difficiles à observer et à caractériser. Wen et son collègue, John Freeland, un physicien senior dans le XSD d'Argonne, ont passé des années à étudier ces tourbillons, d'abord avec les rayons X ultra-brillants de l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, et plus récemment avec les capacités laser à électrons libres de la source de lumière cohérente LINAC (LCLS) au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du DOE. L'APS et le LCLS sont tous deux des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.
En utilisant l'APS, les chercheurs ont pu utiliser des lasers pour créer un nouvel état de la matière et obtenir une image complète de sa structure en utilisant la diffraction des rayons X. En 2019, l'équipe, dirigé conjointement par Argonne et la Pennsylvania State University, ont fait part de leurs découvertes dans un Matériaux naturels histoire de couverture, plus particulièrement que les tourbillons peuvent être manipulés avec des impulsions lumineuses. Les données ont été prises sur plusieurs lignes de lumière APS :7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM et 33-ID-C.
« Bien que ce nouvel état de la matière, un soi-disant supercristal, n'existe pas naturellement, il peut être créé en éclairant de fines couches soigneusement conçues de deux matériaux distincts à l'aide de la lumière, " dit Venkatraman Gopalan, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de physique à Penn State.
"Beaucoup de travail a été consacré à la mesure du mouvement d'un petit objet, " Freeland a dit. " La question était, comment voit-on ces phénomènes avec les rayons X ? On pouvait voir qu'il y avait quelque chose d'intéressant avec le système, quelque chose que nous pourrions peut-être caractériser avec des sondes à échelle de temps ultrarapide."
L'APS a pu prendre des instantanés de ces tourbillons à des échelles de temps de la nanoseconde - cent millions de fois plus vite qu'il n'en faut pour cligner des yeux - mais l'équipe de recherche a découvert que ce n'était pas assez rapide.
"Nous savions que quelque chose d'excitant devait se produire que nous ne pouvions pas détecter, " a déclaré Wen. " Les expériences APS nous ont aidés à déterminer où nous voulons mesurer, à des échelles de temps plus rapides auxquelles nous n'avons pas pu accéder à l'APS. Mais LCLS, notre installation sœur au SLAC, fournit les outils exacts nécessaires pour résoudre ce casse-tête."
Avec leurs recherches préalables en main, Wen et Freeland ont rejoint des collègues du SLAC et du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE—Gopalan et Long-Qing Chen de la Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, chef du Département de diélectrique à l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences; Paul Evans de l'Université du Wisconsin, Madison; et leurs équipes - pour concevoir une nouvelle expérience qui serait capable de leur dire comment ces atomes se comportent, et si ce comportement pouvait être contrôlé. En utilisant ce qu'ils ont appris à l'APS, l'équipe, y compris les auteurs principaux du nouvel article, Quan Li de l'Université Tsinghua et Vladimir Stoica de l'Université d'État de Pennsylvanie, tous deux post-doctorants à l'APS, ont poursuivi leurs investigations au LCLS du SLAC.
"Le LCLS utilise des faisceaux de rayons X pour prendre des instantanés de ce que font les atomes à des échelles de temps inaccessibles aux appareils à rayons X conventionnels, " a déclaré Aaron Lindenberg, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux et de sciences des photons à l'Université de Stanford et au SLAC. "La diffusion des rayons X peut cartographier les structures, mais il faut une machine comme LCLS pour voir où se trouvent les atomes et pour suivre comment ils se déplacent dynamiquement à des vitesses incroyablement rapides. »
En utilisant un nouveau matériau ferroélectrique conçu par Ramamoorthy Ramesh et Lane Martin au Berkeley Lab, l'équipe a pu exciter un groupe d'atomes dans un mouvement tourbillonnant par un champ électrique à des fréquences térahertz, la fréquence qui est d'environ 1, 000 fois plus rapide que le processeur de votre téléphone portable. Ils ont ensuite pu capturer des images de ces spins à des échelles de temps femtosecondes. Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde - c'est une période de temps si courte que la lumière ne peut parcourir que la longueur d'une petite bactérie avant qu'elle ne soit terminée.
Avec ce niveau de précision, l'équipe de recherche a vu un nouveau type de mouvement qu'ils n'avaient jamais vu auparavant.
« Bien que les théoriciens se soient intéressés à ce type de mouvement, les propriétés dynamiques exactes des tourbillons polaires sont restées nébuleuses jusqu'à la fin de cette expérience, " a déclaré Hlinka. " Les résultats expérimentaux ont aidé les théoriciens à affiner le modèle, fournissant un aperçu microscopique des observations expérimentales. C'était une véritable aventure de révéler cette sorte de danse atomique concertée."
Cette découverte ouvre une nouvelle série de questions auxquelles il faudra d'autres expériences pour répondre, et les mises à niveau prévues des sources lumineuses APS et LCLS aideront à pousser plus loin cette recherche. LCLS-II, maintenant en construction, augmentera ses impulsions de rayons X de 120 à 1 million par seconde, permettant aux scientifiques d'observer la dynamique des matériaux avec une précision sans précédent.
Et la mise à niveau APS, qui remplacera l'anneau de stockage d'électrons actuel par un modèle de pointe qui augmentera la luminosité des rayons X cohérents jusqu'à 500 fois, permettra aux chercheurs d'imager de petits objets comme ces vortex avec une résolution nanométrique.
Les chercheurs peuvent déjà voir les applications possibles de ces connaissances. Le fait que ces matériaux puissent être ajustés en appliquant de petites modifications ouvre un large éventail de possibilités, dit Lindenberg.
« D'un point de vue fondamental, nous voyons un nouveau type de matière, " a-t-il dit. " D'un point de vue technologique du stockage de l'information, nous voulons profiter de ce qui se passe à ces fréquences pour le haut débit, technologie de stockage à large bande passante. Je suis enthousiaste à l'idée de contrôler les propriétés de ce matériau, et cette expérience montre des façons possibles de le faire dans un sens dynamique, plus vite que ce que nous pensions possible."
Wen et Freeland ont convenu, notant que ces matériaux peuvent avoir des applications auxquelles personne n'a encore pensé.
"Vous ne voulez pas quelque chose qui fait ce qu'un transistor fait, parce que nous avons déjà des transistors, " dit Freeland. " Alors vous cherchez de nouveaux phénomènes. Quels aspects peuvent-ils apporter ? Nous recherchons des objets avec une vitesse plus rapide. C'est ce qui inspire les gens. Comment pouvons-nous faire quelque chose de différent ?"
