Små hvirvlende mysterier:Ny forskning afdækker ultralyds dynamik, ultrahurtige grupper af atomer

Vores højhastighed, verden med høj båndbredde kræver konstant nye måder at behandle og gemme information på. Halvledere og magnetiske materialer har udgjort hovedparten af ​​datalagringsenheder i årtier. I de seneste år, imidlertid, forskere og ingeniører har vendt sig til ferroelektriske materialer, en type krystal, der kan manipuleres med elektricitet.

I 2016, studiet af ferroelektrik blev mere interessant med opdagelsen af ​​polære hvirvler-i det væsentlige spiralformede grupperinger af atomer-inden for materialets struktur. Nu har et team af forskere ledet af det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory afsløret ny indsigt i disse hvirvelers adfærd, indsigt, der kan være det første skridt mod at bruge dem hurtigt, alsidig databehandling og opbevaring.

Hvad er så vigtigt ved adfærden af ​​grupper af atomer i disse materialer? For én ting, disse polar virvler er spændende nye opdagelser, også når de bare sidder stille. For en anden, denne nye forskning, udgivet som omslagshistorie i Natur , afslører, hvordan de bevæger sig. Denne nye type spiralformet atombevægelse kan lokkes til at forekomme, og kan manipuleres. Det er gode nyheder for dette materiales potentielle brug i fremtidig databehandling og lagerenheder.

"Selvom bevægelsen af ​​individuelle atomer alene måske ikke er for spændende, disse bevægelser går sammen om at skabe noget nyt - et eksempel på hvad forskere omtaler som nye fænomener - som kan rumme evner, vi ikke kunne forestille os før, "sagde Haidan Wen, en fysiker i Argonne's X-ray Science Division (XSD).

Disse hvirvler er faktisk små - omkring fem eller seks nanometer brede, tusinder af gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, eller cirka dobbelt så bred som en enkelt streng af DNA. Deres dynamik, imidlertid, kan ikke ses i et typisk laboratoriemiljø. De skal begejstres til handling ved at anvende et ultrahurtigt elektrisk felt.

Alt dette gør dem svære at observere og karakterisere. Wen og hans kollega, John Freeland, en seniorfysiker i Argonnes XSD, har brugt år på at studere disse hvirvler, først med ultralette røntgenstråler fra Advanced Photon Source (APS) i Argonne, og senest med gratiselektronlasermulighederne for LINAC Coherent Light Source (LCLS) på DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. Både APS og LCLS er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

Ved hjælp af APS, forskere var i stand til at bruge lasere til at skabe en ny tilstand af stof og få et omfattende billede af dets struktur ved hjælp af røntgendiffraktion. I 2019, holdet, ledet i fællesskab af Argonne og Pennsylvania State University, rapporterede deres fund i a Naturmaterialer dækhistorie, især at hvirvlerne kan manipuleres med lysimpulser. Der blev taget data på flere APS-strålelinjer:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM og 33-ID-C.

"Selvom denne nye tilstand af stof, en såkaldt superkrystal, findes ikke naturligt, det kan skabes ved at belyse omhyggeligt konstruerede tynde lag af to forskellige materialer ved hjælp af lys, "sagde Venkatraman Gopalan, professor i materialevidenskab og teknik og fysik i Penn State.

"Der blev arbejdet meget med at måle bevægelsen af ​​en lille genstand, "Freeland sagde." Spørgsmålet var, hvordan ser vi disse fænomener med røntgenstråler? Vi kunne se, at der var noget interessant med systemet, noget, vi måske kunne karakterisere med ultrahurtige tidsmålingsprober. "

APS var i stand til at tage øjebliksbilleder af disse hvirvler i nanosekunders tidsskalaer - hundrede millioner gange hurtigere end det tager at blinke med øjnene - men forskergruppen opdagede, at dette ikke var hurtigt nok.

"Vi vidste, at der skulle ske noget spændende, som vi ikke kunne opdage, "Wen sagde." APS -eksperimenterne hjalp os med at finde ud af, hvor vi vil måle, på hurtigere tidsskalaer, som vi ikke kunne få adgang til på APS. Men LCLS, vores søsterfacilitet på SLAC, giver de nøjagtige værktøjer, der er nødvendige for at løse dette puslespil. "

Med deres tidligere forskning i hånden, Wen og Freeland sluttede sig til kolleger fra SLAC og DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) —Gopalan og Long-Qing Chen fra Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, leder af Institut for Dielektri ved Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi; Paul Evans fra University of Wisconsin, Madison; og deres teams - for at designe et nyt eksperiment, der kunne fortælle dem, hvordan disse atomer opfører sig, og om den adfærd kunne kontrolleres. Ved hjælp af det, de lærte på APS, teamet - herunder hovedforfatterne af det nye papir, Quan Li fra Tsinghua University og Vladimir Stoica fra Pennsylvania State University, begge postdoktorale forskere ved APS-forfulgte yderligere undersøgelser ved LCLS på SLAC.

"LCLS bruger røntgenstråler til at tage øjebliksbilleder af, hvad atomer gør i tidsskalaer, der ikke er tilgængelige for konventionelle røntgenapparater, "sagde Aaron Lindenberg, lektor i materialevidenskab og teknik og fotonvidenskab ved Stanford University og SLAC. "Røntgenspredning kan kortlægge strukturer, men det kræver en maskine som LCLS at se, hvor atomerne er, og for at spore, hvordan de dynamisk bevæger sig med ufatteligt hurtige hastigheder. "

Ved hjælp af et nyt ferroelektrisk materiale designet af Ramamoorthy Ramesh og Lane Martin på Berkeley Lab, holdet var i stand til at ophidse en gruppe atomer til hvirvlende bevægelse af et elektrisk felt ved terahertz -frekvenser, frekvensen er omtrent 1, 000 gange hurtigere end processoren i din mobiltelefon. De kunne derefter fange billeder af disse spins på femtosekunders tidsskalaer. Et femtosekund er en kvadrilliondel af et sekund - det er så kort tid, at lys kun kan rejse omkring en lille bakteries længde, før det er slut.

Med dette præcisionsniveau, forskergruppen så en ny type bevægelse, de ikke havde set før.

"På trods af at teoretikere havde været interesseret i denne form for bevægelse, de præcise dynamiske egenskaber ved polære hvirvler forblev tåge indtil afslutningen af ​​dette eksperiment, "Hlinka sagde." De eksperimentelle fund hjalp teoretikere med at forfine modellen, giver en mikroskopisk indsigt i de eksperimentelle observationer. Det var et rigtigt eventyr at afsløre denne form for samordnet atomdans. "

Denne opdagelse åbner op for et nyt sæt spørgsmål, der vil tage yderligere eksperimenter at besvare, og planlagte opgraderinger af både APS og LCLS lyskilder vil hjælpe med at skubbe denne forskning videre. LCLS-II, nu under opførelse, øger sine røntgenpulser fra 120 til 1 million pr. sekund, gør det muligt for forskere at se på materialernes dynamik med en hidtil uset nøjagtighed.

Og APS -opgraderingen, som vil erstatte den nuværende elektronlagringsring med en topmoderne model, der vil øge lysstyrken på de sammenhængende røntgenstråler op til 500 gange, vil gøre det muligt for forskere at forestille sig små objekter som disse hvirvler med nanometeropløsning.

Forskere kan allerede se de mulige anvendelser af denne viden. Det faktum, at disse materialer kan indstilles ved at anvende små ændringer, åbner en lang række muligheder, Sagde Lindenberg.

"Fra et grundlæggende perspektiv ser vi en ny type stof, "sagde han." Fra et teknologisk perspektiv af informationslagring, vi ønsker at drage fordel af, hvad der sker ved disse frekvenser for højhastighedshastighed, teknologi med høj båndbredde. Jeg er begejstret for at kontrollere egenskaberne af dette materiale, og dette eksperiment viser mulige måder at gøre dette på i en dynamisk forstand, hurtigere, end vi troede var muligt. "

Wen og Freeland var enige om, bemærker, at disse materialer kan have applikationer, som ingen har tænkt på endnu.

"Du vil ikke have noget, der gør, hvad en transistor gør, fordi vi allerede har transistorer, "Freeland sagde." Så du leder efter nye fænomener. Hvilke aspekter kan de bringe? Vi leder efter objekter med hurtigere hastighed. Det er det, der inspirerer mennesker. Hvordan kan vi gøre noget anderledes? "