?在鐵電材料中移動(dòng)的極渦的藝術(shù)圖? ?圖片來源：Ellen Weiss/阿貢國家實(shí)驗(yàn)室

我們這個(gè)高速的世界不斷需要新方式處理和存儲(chǔ)信息。幾十年來，半導(dǎo)體和磁性材料一直是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的主要組成部分。然而，近年來，研究人員和工程師轉(zhuǎn)向了鐵電材料，這是一種可以用電操縱的晶體。

2016年，由于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵電體結(jié)構(gòu)中的極渦（本質(zhì)上是螺旋形原子群），鐵電體研究變得更加有趣。現(xiàn)在，由美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，發(fā)現(xiàn)了這些漩渦行為的新見解，這些見解可能是將它們用于快速、通用的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的第一步。

這些材料中原子群的行為有什么重要的？一方面，這些極渦本身就是有趣的新發(fā)現(xiàn)，即使它們只靜止不動(dòng)。另一方面，作為《自然》封面故事發(fā)表的這項(xiàng)新研究揭示了它們是如何移動(dòng)的。研究人員表示，這種新型的螺旋形原子運(yùn)動(dòng)可以誘導(dǎo)發(fā)生，也可以操縱。對(duì)于這種材料在未來數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)備上的潛在應(yīng)用來說，這是個(gè)好消息。

“雖然單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)可能不是太令人興奮，但這些運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起就創(chuàng)造出了一些新的東西，它可能具有我們以前無法想象的能力?！卑⒇晣覍?shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Haidan Wen說。

這些漩渦確實(shí)很小——大約5到6納米寬，比人類頭發(fā)的寬度小數(shù)千倍，或者是單鏈DNA的兩倍寬。然而，它們的動(dòng)態(tài)在典型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中是看不到的。它們需要通過施加一個(gè)超快電場(chǎng)來激發(fā)。

之前，借助先進(jìn)光子源，研究人員能夠使用激光創(chuàng)造一種新的物質(zhì)狀態(tài)，并通過x射線衍射獲得其結(jié)構(gòu)的全面圖像。

這次，使用一種由加州大學(xué)伯克利分校的Ramamoorthy Ramesh和Lane Martin設(shè)計(jì)的新型鐵電材料，該團(tuán)隊(duì)能夠通過太赫茲頻率的電場(chǎng)激發(fā)一組原子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)頻率大約是手機(jī)處理器的1000倍。他們能夠在飛秒時(shí)間尺度捕捉到這些自旋的圖像。一飛秒是千萬億分之一秒。

在如此高的精確度下，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種他們以前從未見過的新型運(yùn)動(dòng)。

研究人員表示，盡管理論學(xué)家對(duì)這種運(yùn)動(dòng)很感興趣，但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)完成之前，極渦的確切動(dòng)力學(xué)性質(zhì)仍然模糊不清。該發(fā)現(xiàn)幫助理論學(xué)家完善了模型，為實(shí)驗(yàn)觀察提供了微觀視角。

這一發(fā)現(xiàn)還提出了一系列新的問題，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來回答，而APS和LCLS等光源的計(jì)劃升級(jí)將有助于進(jìn)一步推動(dòng)這一研究。目前正在建造的LCLS-II將把它的x射線脈沖從每秒120萬次增加到每秒100萬次，使科學(xué)家能夠以前所未有的精度觀察材料的動(dòng)態(tài)。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03342-4


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