我们这个高速的世界不断需要新方式处理和存储信息 。 几十年来 ， 半导体和磁性材料一直是数据存储设备的主要组成部分 。 然而 ， 近年来 ， 研究人员和工程师转向了铁电材料 ， 这是一种可以用电操纵的晶体 。
2016年 ， 由于科学家发现了铁电体结构中的极涡（本质上是螺旋形原子群） ， 铁电体研究变得更加有趣 。 现在 ， 由美国能源部阿贡国家实验室领导的一组研究人员 ， 发现了这些漩涡行为的新见解 ， 这些见解可能是将它们用于快速、通用的数据处理和存储的第一步 。
这些材料中原子群的行为有什么重要的？一方面 ， 这些极涡本身就是有趣的新发现 ， 即使它们只静止不动 。 另一方面 ， 作为《自然》封面故事发表的这项新研究揭示了它们是如何移动的 。 研究人员表示 ， 这种新型的螺旋形原子运动可以诱导发生 ， 也可以操纵 。 对于这种材料在未来数据处理和存储设备上的潜在应用来说 ， 这是个好消息 。
“虽然单个原子的运动可能不是太令人兴奋 ， 但这些运动结合在一起就创造出了一些新的东西 ， 它可能具有我们以前无法想象的能力 。 ”阿贡国家实验室物理学家Haidan Wen说 。
这些漩涡确实很小——大约5到6纳米宽 ， 比人类头发的宽度小数千倍 ， 或者是单链DNA的两倍宽 。 然而 ， 它们的动态在典型实验室环境中是看不到的 。 它们需要通过施加一个超快电场来激发 。
之前 ， 借助先进光子源 ， 研究人员能够使用激光创造一种新的物质状态 ， 并通过x射线衍射获得其结构的全面图像 。
这次 ， 使用一种由加州大学伯克利分校的Ramamoorthy Ramesh和Lane Martin设计的新型铁电材料 ， 该团队能够通过太赫兹频率的电场激发一组原子进行旋转运动 ， 这个频率大约是手机处理器的1000倍 。 他们能够在飞秒时间尺度捕捉到这些自旋的图像 。 一飞秒是千万亿分之一秒 。
在如此高的精确度下 ， 研究小组发现了一种他们以前从未见过的新型运动 。
研究人员表示 ， 尽管理论学家对这种运动很感兴趣 ， 但在这个实验完成之前 ， 极涡的确切动力学性质仍然模糊不清 。 该发现帮助理论学家完善了模型 ， 为实验观察提供了微观视角 。
这一发现还提出了一系列新的问题 ， 需要进一步的实验来回答 ， 而APS和LCLS等光源的计划升级将有助于进一步推动这一研究 。 目前正在建造的LCLS-II将把它的x射线脉冲从每秒120万次增加到每秒100万次 ， 使科学家能够以前所未有的精度观察材料的动态 。
【科学家揭示铁电体材料小漩涡奥秘】相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03342-4
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