Vår höghastighet, världen med hög bandbredd kräver ständigt nya sätt att bearbeta och lagra information. Halvledare och magnetiska material har utgjort huvuddelen av datalagringsenheter i decennier. Under de senaste åren har dock, forskare och ingenjörer har vänt sig till ferroelektriska material, en typ av kristall som kan manipuleras med elektricitet.

2016, studiet av ferroelektrik blev mer intressant med upptäckten av polära virvlar – huvudsakligen spiralformade grupperingar av atomer – inom materialets struktur. Nu har ett team av forskare under ledning av det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory avslöjat nya insikter om beteendet hos dessa virvlar, insikter som kan vara det första steget mot att snabbt använda dem, mångsidig databehandling och lagring.

Vad är så viktigt med beteendet hos grupper av atomer i dessa material? För en sak, dessa polära virvlar är spännande nya upptäckter, även när de bara sitter stilla. För en annan, denna nya forskning, publicerad som omslagsartikel i Natur , avslöjar hur de rör sig. Denna nya typ av spiralmönstrad atomrörelse kan lockas till att inträffa, och kan manipuleras. Det är goda nyheter för det här materialets potentiella användning i framtida databehandlings- och lagringsenheter.

"Även om rörelsen hos enskilda atomer ensam kanske inte är alltför spännande, dessa rörelser går samman för att skapa något nytt – ett exempel på vad forskare refererar till som framväxande fenomen – som kan vara värd för kapaciteter som vi inte kunde föreställa oss tidigare, sa Haidan Wen, en fysiker vid Argonnes X-ray Science Division (XSD).

Dessa virvlar är verkligen små - cirka fem eller sex nanometer breda, tusentals gånger mindre än bredden på ett människohår, eller ungefär dubbelt så bred som en enkel DNA-sträng. Deras dynamik, dock, kan inte ses i en typisk laboratoriemiljö. De måste upphetsas till handling genom att applicera ett ultrasnabbt elektriskt fält.

Allt detta gör dem svåra att observera och karakterisera. Wen och hans kollega, John Freeland, en senior fysiker i Argonnes XSD, har tillbringat år med att studera dessa virvlar, först med ultraljusa röntgenstrålar från Advanced Photon Source (APS) i Argonne, och senast med fri-elektronlaserkapaciteten hos LINAC Coherent Light Source (LCLS) vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory. Både APS och LCLS är DOE Office of Science User Facilities.

Med hjälp av APS, forskare kunde använda lasrar för att skapa ett nytt tillstånd av materia och få en heltäckande bild av dess struktur med hjälp av röntgendiffraktion. År 2019, laget, leds gemensamt av Argonne och Pennsylvania State University, rapporterade sina fynd i en Naturmaterial cover story, framför allt att virvlarna kan manipuleras med ljuspulser. Data togs vid flera APS-strållinjer:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM och 33-ID-C.

"Även om detta nya tillstånd av materia, en så kallad superkristall, finns inte naturligt, den kan skapas genom att belysa noggrant konstruerade tunna lager av två distinkta material med hjälp av ljus, sade Venkatraman Gopalan, professor i materialvetenskap och teknik och fysik vid Penn State.

"Mycket arbete gick åt till att mäta rörelsen hos ett litet föremål, " sa Freeland. "Frågan var, hur ser vi dessa fenomen med röntgenstrålar? Vi kunde se att det var något intressant med systemet, något vi kanske kan karakterisera med ultrasnabba tidsskalasonder."

APS kunde ta ögonblicksbilder av dessa virvlar på nanosekunders tidsskala - hundra miljoner gånger snabbare än det tar att blinka med ögonen - men forskargruppen upptäckte att detta inte var tillräckligt snabbt.

"Vi visste att något spännande måste hända som vi inte kunde upptäcka, " Sa Wen. "APS-experimenten hjälpte oss att hitta var vi vill mäta, på snabbare tidsskalor som vi inte kunde komma åt vid APS. Men LCLS, vår systeranläggning på SLAC, ger de exakta verktyg som behövs för att lösa detta pussel."

Med sin tidigare forskning i hand, Wen och Freeland gick med kollegor från SLAC och DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)—Gopalan och Long-Qing Chen från Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, chef för avdelningen för dielektrik vid Institutet för fysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin; Paul Evans från University of Wisconsin, Madison; och deras team — att designa ett nytt experiment som skulle kunna berätta för dem hur dessa atomer beter sig, och om det beteendet kunde kontrolleras. Genom att använda vad de lärde sig på APS, teamet – inklusive huvudförfattarna till den nya tidningen, Quan Li från Tsinghua University och Vladimir Stoica från Pennsylvania State University, Båda postdoktorala forskarna vid APS – drev vidare undersökningar vid LCLS vid SLAC.

"LCLS använder röntgenstrålar för att ta ögonblicksbilder av vad atomer gör vid tidsskalor som inte är tillgängliga för konventionella röntgenapparater, sa Aaron Lindenberg, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och fotonvetenskap vid Stanford University och SLAC. "Röntgenspridning kan kartlägga strukturer, men det krävs en maskin som LCLS för att se var atomerna är och för att spåra hur de rör sig dynamiskt med ofattbart snabba hastigheter."

Med hjälp av ett nytt ferroelektriskt material designat av Ramamoorthy Ramesh och Lane Martin på Berkeley Lab, teamet kunde excitera en grupp atomer i virvlande rörelse av ett elektriskt fält vid terahertz-frekvenser, frekvensen som är ungefär 1, 000 gånger snabbare än processorn i din mobiltelefon. De kunde sedan ta bilder av dessa snurr på femtosekunders tidsskalor. En femtosekund är en kvadrilliondels sekund – det är en så kort tidsperiod att ljus bara kan färdas ungefär lika lång som en liten bakterie innan det är över.

Med denna nivå av precision, forskargruppen såg en ny typ av rörelse som de inte hade sett tidigare.

"Trots att teoretiker har varit intresserade av denna typ av rörelse, de exakta dynamiska egenskaperna hos polära virvlar förblev oklara tills detta experiment slutfördes, " Sa Hlinka. "De experimentella fynden hjälpte teoretiker att förfina modellen, ger en mikroskopisk inblick i de experimentella observationerna. Det var ett riktigt äventyr att avslöja den här sortens samordnade atomdans."

Denna upptäckt öppnar upp en ny uppsättning frågor som kommer att ta ytterligare experiment att besvara, och planerade uppgraderingar av både APS- och LCLS-ljuskällorna kommer att hjälpa till att driva denna forskning vidare. LCLS-II, nu under uppbyggnad, kommer att öka sina röntgenpulser från 120 till 1 miljon per sekund, gör det möjligt för forskare att titta på materials dynamik med oöverträffad noggrannhet.

Och APS-uppgraderingen, som kommer att ersätta den nuvarande elektronlagringsringen med en toppmodern modell som kommer att öka ljusstyrkan hos de koherenta röntgenstrålarna upp till 500 gånger, kommer att göra det möjligt för forskare att avbilda små föremål som dessa virvlar med nanometerupplösning.

Forskare kan redan se möjliga tillämpningar av denna kunskap. Det faktum att dessa material kan trimmas genom att tillämpa små förändringar öppnar ett brett spektrum av möjligheter, sa Lindenberg.

"Ur ett grundläggande perspektiv ser vi en ny typ av materia, ", sa han. "Ur ett tekniskt perspektiv av informationslagring, vi vill dra fördel av vad som händer vid dessa frekvenser för höghastighets lagringsteknik med hög bandbredd. Jag är entusiastisk över att kontrollera egenskaperna hos detta material, och detta experiment visar möjliga sätt att göra detta på i en dynamisk mening, snabbare än vi trodde var möjligt."

Wen och Freeland kom överens, noterar att dessa material kan ha tillämpningar som ingen har tänkt på ännu.

"Du vill inte ha något som gör vad en transistor gör, eftersom vi redan har transistorer, " sa Freeland. "Så du letar efter nya fenomen. Vilka aspekter kan de tillföra? Vi letar efter föremål med snabbare hastighet. Det är detta som inspirerar människor. Hur kan vi göra något annorlunda?"