חוקרים ב-KAIST, בשיתוף עם מוסדות מרובים, אישרו בניסוי את התפלגות הקיטוב התלת מימדית בצורת מערבולת בתוך ננו-חלקיקים פרו-אלקטריים. באמצעות טומוגרפיה של אלקטרונים אטומיים, הם מיפו מיקומי אטום בננו-חלקיקים של בריום טיטנאט וחישבו את התפלגות הקיטוב הפנימית. ממצא זה מאשש תחזיות תיאורטיות שנעשו לפני 20 שנה ומכיל פוטנציאל לפיתוח התקני זיכרון בצפיפות גבוהה במיוחד.
א KAISTצוות מחקר בראשות הוכיח בהצלחה את התפלגות הקיטוב התלת-ממדית הפנימית בננו-חלקיקים פרו-אלקטריים, מה שסלל את הדרך להתקני זיכרון מתקדמים המסוגלים לאחסן יותר מפי 10,000 נתונים מהטכנולוגיות הנוכחיות.
חומרים שנשארים ממוגנטים באופן עצמאי, ללא צורך בשדה מגנטי חיצוני, ידועים כפרומגנטים. באופן דומה, פרו-אלקטריקים יכולים לשמור על מצב מקוטב בעצמם, ללא כל שדה חשמלי חיצוני, המשמש כמקבילה החשמלית לפרומגנטים.
זה ידוע כי פרומגנטים מאבדים את התכונות המגנטיות שלהם כאשר הם מצטמצמים לגדלים ננו מתחת לסף מסוים. מה שקורה כאשר פרו-אלקטריות הופכות באופן דומה לקטנות ביותר בכל הכיוונים (כלומר, למבנה אפס ממדי כמו ננו-חלקיקים) היה נושא למחלוקת במשך זמן רב.
צוות המחקר בראשות ד"ר יונגסו יאנג מהמחלקה לפיזיקה ב-KAIST הבהיר לראשונה בניסוי את התפלגות הקיטוב התלת מימדית בצורת מערבולת בתוך ננו-חלקיקים פרו-אלקטריים באמצעות מחקר שיתופי בינלאומי עם POSTECH, SNU, KBSI, LBNL ואוניברסיטת ארקנסו.
לפני כ-20 שנה, פרופ' לורן בלאיצ'ה (כיום באוניברסיטת ארקנסו) ועמיתיו חזו תיאורטית שצורה ייחודית של התפלגות קיטוב, המסודרת בצורת מערבולת טורואידלית, יכולה להתרחש בתוך ננו-דוטות פרו-אלקטריות. הם גם הציעו שאם ניתן לשלוט כראוי בחלוקת המערבולת הזו, ניתן ליישם אותה על התקני זיכרון בצפיפות גבוהה במיוחד עם קיבולות גדולות פי 10,000 מהקיימים. עם זאת, הבהרה ניסויית לא הושגה עקב הקושי למדוד את התפלגות הקיטוב התלת מימדית בתוך ננו-מבנים פרו-אלקטריים.
טכניקות מתקדמות בטומוגרפיה אלקטרונית
צוות המחקר ב-KAIST פתר בהצלחה את האתגר בן ה-20 הזה על ידי יישום טכניקה שנקראת טומוגרפיה של אלקטרונים אטומיים. טכניקה זו פועלת על ידי רכישת תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה אטומית של הננו-חומרים מזוויות הטיה מרובות, ולאחר מכן בנייה מחדש למבנים תלת מימדיים באמצעות אלגוריתמים מתקדמים של שחזור. ניתן להבין טומוגרפיה אלקטרונית כאותה שיטה בעצם עם סריקות CT המשמשות בבתי חולים לצפייה באיברים פנימיים בתלת מימד; צוות KAIST התאים אותו באופן ייחודי לננו-חומרים, תוך שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים ביחידהאָטוֹם רָמָה.
התפלגות קיטוב תלת מימדית של ננו-חלקיקי BaTiO3 נחשפה באמצעות טומוגרפיה של אלקטרונים אטומיים. (משמאל) סכימה של טכניקת טומוגרפיית האלקטרונים, הכוללת רכישת תמונות מיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת בזוויות הטיה מרובות ושחזורן למבנים אטומיים תלת מימדיים. (מרכז) התפלגות קיטוב תלת מימדית שנקבעה בניסוי בתוך ננו-חלקיק BaTiO3 באמצעות טומוגרפיה של אלקטרונים אטומיים. מבנה דמוי מערבולת נראה בבירור ליד התחתית (נקודה כחולה). (מימין) חתך דו-ממדי של התפלגות הקיטוב, פרוס דק במרכז המערבולת, כשהצבע והחצים יחד מציינים את כיוון הקיטוב. ניתן להבחין במבנה מערבולת מובהק.
באמצעות טומוגרפיה של אלקטרונים אטומיים, הצוות מדד לחלוטין את מיקומם של אטומי קטיון בתוך ננו-חלקיקי בריום טיטנאט (BaTiO3), חומר פרו-אלקטרי ידוע, בתלת מימד. מתוך הסידורים האטומיים התלת מימדיים שנקבעו במדויק, הם הצליחו לחשב עוד יותר את התפלגות הקיטוב התלת מימדית הפנימית ברמת האטום הבודד. ניתוח התפלגות הקיטוב חשף, לראשונה בניסוי, שסדרי קיטוב טופולוגיים הכוללים מערבולות, אנטי-מערבולות, סקירמיונים ונקודת בלוך מתרחשים בתוך הפרו-אלקטריות 0-ממדיות, כפי שחזו תיאורטית לפני 20 שנה. יתר על כן, נמצא גם שניתן לשלוט במספר המערבולות הפנימיות בהתאם לגדלים שלהן.
פרופ' סרגיי פרוסנדייב ופרופ' בלאיצ'ה (שהציעו עם עמיתים נוספים לעבודה את סדר המערבולת הקוטבית תיאורטית לפני 20 שנה), הצטרפו לשיתוף פעולה זה והוכיחו עוד כי תוצאות התפלגות המערבולת שהתקבלו מניסויים תואמות את החישובים התיאורטיים.
על ידי שליטה במספר והכיוון של התפלגות הקיטוב הללו, צפוי שניתן יהיה לנצל זאת בהתקני זיכרון בצפיפות גבוהה מהדור הבא שיכולים לאחסן יותר מפי 10,000 מכמות המידע באותו גודל בהתקן בהשוואה לאלה הקיימים.
ד"ר יאנג, שהוביל את המחקר, הסביר את המשמעות של התוצאות: "תוצאה זו מעידה על כך ששליטה בגודל ובצורה של פרו-אלקטריים בלבד, ללא צורך לכוונן את המצע או ההשפעות הסביבתיות שמסביב כמו מתח אפיטקסיאלי, יכולה לתמרן מערבולות פרו-אלקטריות או סדרים טופולוגיים אחרים בקנה מידה ננו. לאחר מכן ניתן יהיה ליישם מחקר נוסף לפיתוח של הדור הבא של זיכרון בצפיפות גבוהה במיוחד."
המחקר נתמך בעיקר על ידי מענקי קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MSIT).
