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发现可能会为下一代数据存储带来新材料

2019-11-07 15:42:00

由美国陆军部分资助的研究发现,材料中的特性可能有一天会导致应用,例如更强大的数据存储设备,即使在设备关闭后仍可继续保存信息。

由康奈尔大学和加州大学伯克利分校领导的一个研究小组发现了一个发现,开辟了大量的材料系统和物理现象,现在可以探索。

科学家们首次在具有可逆电性能的精心设计和合成的人造材料中观察到了极地skyrmions中的手性。手性是两个物体(如一副手套)可以相互镜像但不能相互叠加的地方。极地skyrmions是由称为偶极子的相反电荷组成的纹理。

研究人员一直认为,只有出现在磁性材料中才会出现这种情况,磁性材料的磁自旋之间的特殊相互作用可以稳定扭曲的手性图案。他们说,当团队发现电子材料中出现的物质时,他们感到震惊。

极地skyrmions和这些电性质的组合可以允许开发对陆军非常感兴趣的新型装置,特别是使用手性作为可以操纵的参数。

“现在我们知道极性/电动式是手性的,我们希望看看我们是否可以对它们进行电动操作,”该项目的联合首席研究员Ramamoorthy Ramesh博士说。“如果我施加一个电场,我可以把它们变成一个旋转栅栏吗?我可以一次一个地移动每一个,就像棋盘上的棋盘格一样吗?如果我们可以以某种方式移动它们,写下它们,并将它们删除以获取数据存储,那将是一项惊人的新技术。“

研究人员在“自然”杂志上发表了研究结果。

“这一突破性的发现可以在未来用于开发可用于改善军队和工业的逻辑/存储,传感,通信和其他应用的设备结构,”Pani博士(Chakrapani)瓦拉纳西说。陆军研究办公室材料科学部主任,美国陆军作战能力司令部陆军研究实验室的一员。

当团队在2016年开始研究时,他们已经着手寻找控制热量如何通过材料的方法。他们从交替的钛酸铅层(电极性材料,其中一端带正电,另一端带负电)和钛酸锶(绝缘体或不导电的材料)制造出一种称为超晶格的特殊晶体结构。电流)。

研究小组开始探索人工设计和结构化氧化物的合成,目的是探索新兴现象。突发现象在自然界中普遍存在 - 在学校里游泳的鱼,在地层中飞行的鸟类,人群和怪物的出现都是离散物体(鱼,鸟,人)相互作用如何导致意外集体行为的例子。材料也可以表现出这种紧急行为,特别是在受到限制时。

当科学家们对人工设计的钛酸铅/钛酸锶超晶格进行扫描透射电子显微镜测量时,他们看到了一些与热量无关的奇怪事物:整个材料都出现了类似气泡的结构。钛酸铅是一种众所周知的铁电材料,而钛酸锶,其姊妹化合物在室温下不是铁电的。铁电体是具有自发电极化的材料,可以通过施加外部电场来逆转。

事实证明,这些泡沫是极地的骚动。

在伯克利实验室的分子铸造厂和康奈尔材料研究中心使用复杂的扫描透射电子显微镜时,康奈尔大学的David Muller实时拍摄了室温下skyrmions手性的原子快照。研究人员发现,非极性钛酸锶层置于极性钛酸铅层上的力会在钛酸铅中产生极性skyrmion气泡。

“材料就像人,”拉梅什说。“当人们受到压力时,他们会以不可预测的方式做出反应。这就是材料所做的事情:在这种情况下,通过钛酸锶包围钛酸铅,钛酸铅开始变得疯狂 - 而且它疯狂的一种方式是制造极性像skyrmions的纹理,而不是均匀的极化。“

“这项工作使得在氧化物超晶格中发现了一种根本性的新现象,”Schlom说。“我们现在有一个基于外延的模板来创建许多其他科学宇宙。例如,我们可以开始研究这种超晶格中的自旋电荷耦合;这方面的工作已经在进行中。”

研究人员还计划研究施加电场对极地skyrmions的影响。

宾夕法尼亚州立大学和橡树岭国家实验室的研究人员也参与了这项研究。

此外,能源部科学办公室通过戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS倡议,国家科学基金会,卢森堡国家研究基金以及西班牙经济和竞争力部提供的额外资金支持了这项研究。

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