Fisikawan mengungkap 'pusaran 3D' feroelektrik nol dimensi

Para peneliti di Institut Sains dan Teknologi Korea, bekerja sama dengan berbagai institusi, secara eksperimental mengkonfirmasi distribusi polarisasi berbentuk pusaran 3D di dalam nanopartikel fotovoltaik. Dengan menggunakan tomografi elektron atom, mereka memetakan posisi atom dalam nanopartikel barium titanat dan menghitung distribusi polarisasi internal. Penemuan ini menegaskan prediksi teoretis yang dibuat 20 tahun lalu, dan memiliki potensi untuk mengembangkan perangkat memori ultra-padat.

A kaistTim peneliti yang dipimpinnya telah berhasil mendemonstrasikan distribusi polarisasi internal tiga dimensi pada nanopartikel feroelektrik, membuka jalan bagi perangkat memori canggih yang mampu menyimpan data 10.000 kali lebih banyak dibandingkan teknologi saat ini.

Bahan yang tetap termagnetisasi secara independen, tanpa memerlukan medan magnet luar, dikenal sebagai feromagnet. Demikian pula, feroelektrik dapat mempertahankan keadaan polarisasinya sendiri, tanpa medan listrik eksternal, bertindak sebagai setara listrik dengan feromagnet.

Diketahui bahwa feromagnet kehilangan sifat kemagnetannya ketika direduksi menjadi ukuran skala nano di bawah ambang batas tertentu. Apa yang terjadi jika bahan feroelektrik dibuat secara identik dalam volume yang sangat kecil ke segala arah (yaitu dalam struktur tak berdimensi seperti nanopartikel) telah menjadi kontroversi sejak lama.

Tim peneliti yang dipimpin oleh Dr. Youngsu Yang dari Departemen Fisika KAUST, untuk pertama kalinya, menjelaskan distribusi polarisasi berbentuk pusaran 3D di dalam nanopartikel feroelektrik melalui penelitian kolaboratif internasional dengan POSTECH, SNU, KBSI, dan LBNL. Dan Universitas Arkansas.

Sekitar 20 tahun yang lalu, Profesor Laurent Belich (sekarang di Universitas Arkansas) dan rekan-rekannya secara teoritis memperkirakan bahwa bentuk unik dari distribusi polarisasi, yang disusun dalam bentuk pusaran toroidal, dapat terjadi di dalam nanodot feroelektrik. Mereka juga menyarankan bahwa jika distribusi pusaran ini dapat dikontrol dengan baik, hal ini dapat diterapkan pada perangkat memori kepadatan tinggi dengan kapasitas 10.000 kali lebih besar dari perangkat yang ada. Namun, klarifikasi eksperimental belum tercapai karena sulitnya mengukur distribusi polarisasi 3D dalam struktur nano feroelektrik.

Teknik lanjutan dalam tomografi elektron

Tim peneliti di KAIST telah memecahkan tantangan berusia 20 tahun ini dengan menerapkan teknik yang disebut tomografi elektron atom. Teknologi ini bekerja dengan memperoleh gambar mikroskop elektron transmisi resolusi atom dari bahan nano dari berbagai sudut kemiringan, kemudian merekonstruksinya kembali menjadi struktur 3D menggunakan algoritma rekonstruksi canggih. Tomografi elektron dapat dipahami sebagai metode yang sama yang digunakan dalam CT scan yang digunakan di rumah sakit untuk melihat organ dalam dalam tiga dimensi; Tim KAIST secara unik mengadaptasinya ke material nano, menggunakan mikroskop elektron pada satu sampel.Jagung tingkat.

Distribusi polarisasi tiga dimensi nanopartikel BaTiO3 diungkapkan oleh tomografi elektron atom. (Kiri) Skema teknik tomografi elektron, yang melibatkan perolehan gambar mikroskop elektron transmisi pada berbagai sudut kemiringan dan merekonstruksinya menjadi struktur atom 3D. (Tengah) Distribusi polarisasi 3D ditentukan secara eksperimental di dalam nanopartikel BaTiO3 melalui tomografi elektron atom. Struktur seperti pusaran terlihat jelas di dekat bagian bawah (titik biru). (Kanan) Penampang 2D dari distribusi polarisasi, diiris tipis di tengah pusaran, dan bersama-sama warna dan panah menunjukkan arah polarisasi. Struktur pusaran yang berbeda dapat diamati.

Dengan menggunakan tomografi elektron atom, tim mengukur posisi seluruh atom kation di dalam nanopartikel barium titanat (BaTiO3), bahan feroelektrik, dalam tiga dimensi. Dengan susunan atom 3D yang ditentukan secara tepat, mereka dapat menghitung lebih lanjut distribusi polarisasi internal 3D pada tingkat atom tunggal. Analisis distribusi polarisasi telah mengungkapkan, untuk pertama kalinya secara eksperimental, bahwa pengaturan polarisasi topologi, termasuk vortisitas, antivorteks, skyrmion, dan titik Bloch, terjadi di dalam feroelektrik berdimensi nol, seperti yang diperkirakan secara teoritis 20 tahun lalu. Selain itu, ditemukan pula bahwa jumlah vortisitas internal dapat dikontrol berdasarkan ukurannya.

Profesor Sergei Brusandev dan Profesor Belich (yang bersama rekan lainnya mengusulkan susunan pusaran kutub secara teoritis 20 tahun yang lalu) bergabung dalam kolaborasi ini dan juga menunjukkan bahwa hasil distribusi pusaran yang diperoleh dari eksperimen sesuai dengan perhitungan teoritis.
Dengan mengendalikan jumlah dan arah distribusi polarisasi ini, diharapkan hal ini dapat dimanfaatkan pada perangkat memori kepadatan tinggi generasi berikutnya yang dapat menyimpan lebih dari 10.000 kali jumlah informasi di dalam perangkat itu sendiri dibandingkan dengan perangkat yang sudah ada.

Dr Yang, yang memimpin penelitian, menjelaskan pentingnya temuan ini, dengan mengatakan: “Hasil ini menunjukkan bahwa mengendalikan ukuran dan bentuk bahan feroelektrik saja, tanpa perlu menyesuaikan substrat atau pengaruh lingkungan sekitar seperti tekanan epitaksi, dapat memanipulasi vortisitas feroelektrik atau pengaturan topologi lainnya dalam skala besar.” Nanoteknologi kemudian dapat menerapkan penelitian lebih lanjut untuk pengembangan memori ultra-padat generasi berikutnya.

Referensi: “Mengungkap Urutan Tiga Dimensi Topologi Kutub dalam Nanopartikel” oleh Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich dan Youngsoo Yang, 8 Mei 2024, Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Penelitian ini terutama didukung oleh hibah National Research Foundation of Korea (NRF) yang didanai oleh pemerintah Korea (MSIT).