Descubrimiento puede conducir a nuevos materiales para el almacenamiento de datos de próxima generación

La investigación financiada en parte por el Ejército de los EE. UU. Identificó propiedades en materiales que algún día podrían llevar a aplicaciones como dispositivos de almacenamiento de datos más potentes que continúan conteniendo información incluso después de que se haya apagado el dispositivo.

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Cornell y la Universidad de California en Berkeley hizo un descubrimiento que abre una gran cantidad de sistemas de materiales y fenómenos físicos que ahora se pueden explorar.

Los científicos observaron, por primera vez, lo que se conoce como quiralidad en skyrmions polares en un material artificial exquisitamente diseñado y sintetizado con propiedades eléctricas reversibles.

La quiralidad es donde dos objetos, como un par de guantes, pueden ser imágenes especulares entre sí, pero no pueden superponerse uno sobre otro.

Los skyrmions polares son texturas compuestas de cargas eléctricas opuestas conocidas como dipolos.

Los investigadores siempre habían asumido que los skyrmions solo aparecerían en materiales magnéticos, donde las interacciones especiales entre los espines magnéticos de los electrones cargados estabilizan los patrones quirales retorcidos de los skyrmions.

Cuando el equipo descubrió skyrmions en un material eléctrico, se sorprendieron, dijeron.

La combinación de combinaciones polares y estas propiedades eléctricas puede permitir el desarrollo de nuevos dispositivos que son de gran interés para el Ejército, especialmente al usar la quiralidad como un parámetro que puede ser manipulado.

“Ahora que sabemos que las señales polares/eléctricas son quirales, queremos ver si podemos manipularlas eléctricamente”, dijo el Dr. Ramamoorthy Ramesh, investigador co-principal de este proyecto.

“Si aplico un campo eléctrico, ¿puedo girar cada uno como un torniquete?

¿Puedo mover cada uno, uno a la vez, como un verificador en un tablero de ajedrez?

Si podemos moverlos, escribirlos y borrarlos para almacenamiento datos, entonces eso sería una nueva tecnología increíble”.

Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nature.

“Este descubrimiento innovador se puede usar en el futuro para desarrollar estructuras de dispositivos que pueden usarse para mejorar la lógica/memoria, la detección, las comunicaciones y otras aplicaciones para el Ejército y la industria”, dijo el Dr. Pani (Chakrapani) Varanasi. Jefe de la División de Ciencia de Materiales de la Oficina de Investigación del Ejército.

Cuando el equipo comenzó el estudio en 2016, se habían propuesto encontrar formas de controlar cómo se mueve el calor a través de los materiales.

Fabricaron una estructura cristalina especial llamada superlattice de capas alternas de titanato de plomo (un material eléctricamente polar, por lo que un extremo está cargado positivamente y el extremo opuesto está cargado negativamente) y titanato de estroncio (un aislante o un material que no conduce). corriente eléctrica).

El equipo de investigación comenzó a explorar la síntesis de óxidos estructurados y diseñados artificialmente, con el objetivo de explorar los fenómenos emergentes.

Los fenómenos emergentes son omnipresentes en la naturaleza: los peces que nadan, las aves que vuelan en formación, la aparición de multitudes y turbas son ejemplos de cómo las interacciones de objetos discretos (peces, aves, humanos) pueden llevar a un comportamiento colectivo inesperado.

Los materiales también pueden exhibir este tipo de comportamiento emergente, especialmente cuando se colocan bajo restricciones.

Cuando los científicos tomaron mediciones de microscopía electrónica de transmisión de titanio de titanato de plomo/titanato de estroncio artificialmente artificial, vieron algo extraño que no tenía nada que ver con el calor: formaciones similares a burbujas habían surgido por todo el material.

El titanato de plomo es un material ferroeléctrico bien conocido, mientras que el titanato de estroncio, su compuesto hermano no es ferroeléctrico a temperatura ambiente.

Los materiales ferroeléctricos tienen una polarización eléctrica espontánea que puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico externo.

Resulta que esas burbujas eran nubes polares.

Al utilizar microscopía electrónica de transmisión de barrido sofisticado en Molecular Foundry de Berkeley Lab y en el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, David Muller, de la Universidad de Cornell, tomó instantáneas atómicas de quiralidad de skyrmions a temperatura ambiente en tiempo real.

Los investigadores descubrieron que las fuerzas colocadas en la capa de titanato de plomo polar por la capa de titanato de estroncio no polar generaron las burbujas de globo polar en el titanato de plomo.

“Los materiales son como las personas”, dijo Ramesh.

“Cuando las personas se estresan, responden de manera impredecible.

Y eso es lo que hacen los materiales también: en este caso, rodeando el titanato de plomo por el titanato de estroncio, el titanato de plomo comienza a volverse loco, y una forma de hacerlo es crear texturas polares”. Como los skyrmions en lugar de estar uniformemente polarizados “.

“Este trabajo ha permitido el descubrimiento de un fenómeno fundamentalmente nuevo en las superretículas de óxido”, dijo Schlom.

“Ahora tenemos una plantilla basada en epitaxy para crear muchos otros universos de ciencia.

Por ejemplo, podemos comenzar a ver el acoplamiento de la carga de espín en tales superlattices; el trabajo ya está en marcha”.

Los investigadores también planean estudiar los efectos de la aplicación de un campo eléctrico en los skyrmions polares.

Fuente: Noticias de la Ciencia