La nostra alta velocità, mondo ad alta larghezza di banda richiede costantemente nuovi modi per elaborare e memorizzare le informazioni. Semiconduttori e materiali magnetici hanno costituito per decenni la maggior parte dei dispositivi di archiviazione dati. Negli ultimi anni, però, ricercatori e ingegneri si sono rivolti ai materiali ferroelettrici, un tipo di cristallo che può essere manipolato con l'elettricità.

Nel 2016, lo studio dei ferroelettrici è diventato più interessante con la scoperta dei vortici polari, essenzialmente raggruppamenti di atomi a forma di spirale, all'interno della struttura del materiale. Ora un team di ricercatori guidato dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha scoperto nuove intuizioni sul comportamento di questi vortici, approfondimenti che potrebbero essere il primo passo verso il loro utilizzo per una rapida, versatile elaborazione e archiviazione dei dati.

Cosa c'è di così importante nel comportamento dei gruppi di atomi in questi materiali? Per una cosa, questi vortici polari sono intriganti nuove scoperte, anche quando sono semplicemente seduti. Per un altro, questa nuova ricerca, pubblicato come storia di copertina in Natura , rivela come si muovono. Questo nuovo tipo di movimento atomico a spirale può essere indotto a verificarsi, e può essere manipolato. Questa è una buona notizia per il potenziale utilizzo di questo materiale nei futuri dispositivi di elaborazione e archiviazione dei dati.

"Sebbene il movimento dei singoli atomi da solo possa non essere troppo eccitante, questi movimenti si uniscono per creare qualcosa di nuovo - un esempio di ciò che gli scienziati chiamano fenomeni emergenti - che può ospitare capacità che prima non potevamo immaginare, " ha detto Haidan Wen, un fisico nella divisione di scienze a raggi X (XSD) di Argonne.

Questi vortici sono davvero piccoli, larghi circa cinque o sei nanometri, migliaia di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, o circa il doppio di un singolo filamento di DNA. La loro dinamica, però, non può essere visto in un tipico ambiente di laboratorio. Devono essere eccitati all'azione applicando un campo elettrico ultraveloce.

Tutto ciò li rende difficili da osservare e da caratterizzare. Wen e il suo collega, John Freeland, un fisico senior dell'XSD di Argonne, ho passato anni a studiare questi vortici, prima con i raggi X ultraluminosi dell'Advanced Photon Source (APS) ad Argonne, e più recentemente con le capacità del laser a elettroni liberi della sorgente luminosa coerente LINAC (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. Sia l'APS che la LCLS sono strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Utilizzando l'APS, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare i laser per creare un nuovo stato della materia e ottenere un quadro completo della sua struttura utilizzando la diffrazione dei raggi X. Nel 2019, Il gruppo, guidato congiuntamente da Argonne e dalla Pennsylvania State University, hanno riportato i loro risultati in a Materiali della natura storia di copertina, in particolare che i vortici possono essere manipolati con impulsi luminosi. I dati sono stati presi a diverse linee di luce APS:7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM e 33-ID-C.

"Sebbene questo nuovo stato della materia, un cosiddetto supercristallo, non esiste naturalmente, può essere creato illuminando strati sottili accuratamente progettati di due materiali distinti usando la luce, " disse Venkatraman Gopalan, professore di scienza dei materiali, ingegneria e fisica alla Penn State.

"Molto lavoro è stato fatto per misurare il movimento di un oggetto minuscolo, " ha detto Freeland. "La domanda era, come vediamo questi fenomeni con i raggi X? Abbiamo potuto vedere che c'era qualcosa di interessante con il sistema, qualcosa che potremmo essere in grado di caratterizzare con sonde a scala temporale ultraveloce".

L'APS è stato in grado di scattare istantanee di questi vortici su scale temporali di nanosecondi, cento milioni di volte più velocemente di quanto ci vuole per battere le palpebre, ma il team di ricerca ha scoperto che non era abbastanza veloce.

"Sapevamo che stava accadendo qualcosa di eccitante che non potevamo rilevare, " Wen ha detto. "Gli esperimenti APS ci hanno aiutato a individuare dove vogliamo misurare, in tempi più rapidi a cui non siamo stati in grado di accedere all'APS. Ma LCLS, la nostra struttura gemella a SLAC, fornisce gli strumenti esatti necessari per risolvere questo enigma."

Con le loro ricerche precedenti in mano, Wen e Freeland si sono uniti ai colleghi dello SLAC e del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE:Gopalan e Long-Qing Chen della Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, capo del dipartimento di dielettrico presso l'Istituto di fisica dell'Accademia ceca delle scienze; Paul Evans dell'Università del Wisconsin, madison; e le loro squadre, per progettare un nuovo esperimento che sarebbe in grado di dire loro come si comportano questi atomi, e se quel comportamento potesse essere controllato. Utilizzando ciò che hanno imparato all'APS, il team, compresi gli autori principali del nuovo documento, Quan Li della Tsinghua University e Vladimir Stoica della Pennsylvania State University, entrambi i ricercatori post-dottorato presso l'APS hanno proseguito ulteriori indagini presso la LCLS presso lo SLAC.

"LCLS utilizza i raggi X per scattare istantanee di ciò che gli atomi stanno facendo in tempi non accessibili agli apparati a raggi X convenzionali, " ha detto Aaron Lindenberg, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e scienze dei fotoni presso la Stanford University e SLAC. "La diffusione dei raggi X può mappare strutture, ma ci vuole una macchina come LCLS per vedere dove si trovano gli atomi e per tenere traccia di come si muovono dinamicamente a velocità inimmaginabilmente elevate".

Utilizzando un nuovo materiale ferroelettrico progettato da Ramamoorthy Ramesh e Lane Martin al Berkeley Lab, il team è stato in grado di eccitare un gruppo di atomi in un movimento vorticoso mediante un campo elettrico a frequenze terahertz, la frequenza che è circa 1, 000 volte più veloce del processore del tuo cellulare. Sono stati quindi in grado di catturare immagini di quegli spin su scale temporali di femtosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo:è un periodo di tempo così breve che la luce può viaggiare solo per la lunghezza di un piccolo batterio prima che finisca.

Con questo livello di precisione, il team di ricerca ha visto un nuovo tipo di movimento che non aveva mai visto prima.

"Nonostante i teorici si siano interessati a questo tipo di moto, le esatte proprietà dinamiche dei vortici polari sono rimaste nebulose fino al completamento di questo esperimento, " Hlinka ha detto. "I risultati sperimentali hanno aiutato i teorici a perfezionare il modello, fornendo una visione microscopica nelle osservazioni sperimentali. È stata una vera avventura rivelare questa sorta di danza atomica concertata".

Questa scoperta apre una nuova serie di domande che richiederanno ulteriori esperimenti per rispondere, e gli aggiornamenti pianificati delle sorgenti luminose APS e LCLS aiuteranno a spingere ulteriormente questa ricerca. LCLS-II, ora in costruzione, aumenterà i suoi impulsi a raggi X da 120 a 1 milione al secondo, consentendo agli scienziati di osservare le dinamiche dei materiali con una precisione senza precedenti.

E l'aggiornamento APS, che sostituirà l'attuale anello di immagazzinamento di elettroni con un modello all'avanguardia che aumenterà la luminosità dei raggi X coerenti fino a 500 volte, consentirà ai ricercatori di visualizzare piccoli oggetti come questi vortici con una risoluzione nanometrica.

I ricercatori possono già vedere le possibili applicazioni di questa conoscenza. Il fatto che questi materiali possano essere sintonizzati applicando piccole modifiche apre una vasta gamma di possibilità, ha detto Lindenberg.

"Da una prospettiva fondamentale stiamo vedendo un nuovo tipo di materia, " ha detto. "Dal punto di vista tecnologico dell'archiviazione delle informazioni, vogliamo sfruttare ciò che sta accadendo a queste frequenze per l'alta velocità, tecnologia di archiviazione a banda larga. Sono entusiasta di controllare le proprietà di questo materiale, e questo esperimento mostra possibili modi per farlo in senso dinamico, più velocemente di quanto ritenessimo possibile".

Wen e Freeland concordarono, notando che questi materiali possono avere applicazioni a cui nessuno ha ancora pensato.

"Non vuoi qualcosa che faccia quello che fa un transistor, perché abbiamo già i transistor, " Disse Freeland. "Quindi cerchi nuovi fenomeni. Quali aspetti possono portare? Cerchiamo oggetti con maggiore velocità. Questo è ciò che ispira le persone. Come possiamo fare qualcosa di diverso?"