Les chercheurs du KAIST, en collaboration avec plusieurs institutions, ont confirmé expérimentalement la distribution tridimensionnelle de polarisation en forme de vortex à l'intérieur des nanoparticules ferroélectriques. À l’aide de la tomographie électronique atomique, ils ont cartographié les positions atomiques dans les nanoparticules de titanate de baryum et calculé la distribution de polarisation interne. Cette découverte confirme les prédictions théoriques faites il y a 20 ans et offre un potentiel pour le développement de dispositifs de mémoire à ultra haute densité.
UN KAISTL'équipe de recherche dirigée par l'équipe a réussi à démontrer la distribution de polarisation tridimensionnelle interne dans les nanoparticules ferroélectriques, ouvrant la voie à des dispositifs de mémoire avancés capables de stocker plus de 10 000 fois plus de données que les technologies actuelles.
Les matériaux qui restent magnétisés indépendamment, sans nécessiter de champ magnétique externe, sont appelés ferromagnétiques. De même, les ferroélectriques peuvent maintenir eux-mêmes un état polarisé, sans aucun champ électrique externe, servant ainsi d’équivalent électrique aux ferromagnétiques.
Il est bien connu que les ferromagnétiques perdent leurs propriétés magnétiques lorsqu’ils sont réduits à des tailles nanométriques inférieures à un certain seuil. Ce qui se passe lorsque les ferroélectriques sont également extrêmement petits dans toutes les directions (c'est-à-dire dans une structure zéro dimensionnelle telle que les nanoparticules) est un sujet de controverse depuis longtemps.
L'équipe de recherche dirigée par le Dr Yongsoo Yang du Département de physique du KAIST a, pour la première fois, clarifié expérimentalement la distribution de polarisation tridimensionnelle en forme de vortex à l'intérieur des nanoparticules ferroélectriques grâce à une recherche collaborative internationale avec POSTECH, SNU, KBSI, LBNL. et Université de l'Arkansas.
Il y a environ 20 ans, le professeur Laurent Bellaiche (actuellement à l'Université de l'Arkansas) et ses collègues ont prédit théoriquement qu'une forme unique de distribution de polarisation, disposée en forme de vortex toroïdal, pourrait se produire à l'intérieur de nanopoints ferroélectriques. Ils ont également suggéré que si cette distribution vortex pouvait être correctement contrôlée, elle pourrait être appliquée à des dispositifs de mémoire à ultra haute densité avec des capacités plus de 10 000 fois supérieures à celles existantes. Cependant, la clarification expérimentale n’a pas été obtenue en raison de la difficulté de mesurer la distribution de polarisation tridimensionnelle au sein des nanostructures ferroélectriques.
Techniques avancées en tomographie électronique
L’équipe de recherche du KAIST a réussi à résoudre ce défi vieux de 20 ans en mettant en œuvre une technique appelée tomographie électronique atomique. Cette technique fonctionne en acquérant des images au microscope électronique à transmission à résolution atomique des nanomatériaux sous plusieurs angles d'inclinaison, puis en les reconstruisant en structures tridimensionnelles à l'aide d'algorithmes de reconstruction avancés. La tomographie électronique peut être considérée comme essentiellement la même méthode que les tomodensitogrammes utilisés dans les hôpitaux pour visualiser les organes internes en trois dimensions ; l'équipe KAIST l'a adapté uniquement aux nanomatériaux, en utilisant un microscope électronique au niveau unique.atome niveau.
Distribution de polarisation tridimensionnelle des nanoparticules BaTiO3 révélée par tomographie électronique atomique. (À gauche) Schéma de la technique de tomographie électronique, qui consiste à acquérir des images au microscope électronique à transmission sous plusieurs angles d'inclinaison et à les reconstruire en structures atomiques 3D. (Centre) Détermination expérimentale de la distribution de polarisation tridimensionnelle à l'intérieur d'une nanoparticule BaTiO3 via la tomographie électronique atomique. Une structure en forme de vortex est clairement visible près du fond (point bleu). (À droite) Une coupe transversale bidimensionnelle de la distribution de polarisation, finement tranchée au centre du vortex, avec la couleur et les flèches indiquant ensemble la direction de la polarisation. Une structure de vortex distincte peut être observée.
À l’aide de la tomographie électronique atomique, l’équipe a complètement mesuré les positions des atomes de cations à l’intérieur des nanoparticules de titanate de baryum (BaTiO3), un matériau ferroélectrique bien connu, en trois dimensions. À partir des arrangements atomiques 3D déterminés avec précision, ils ont pu calculer davantage la distribution de polarisation tridimensionnelle interne au niveau d'un seul atome. L'analyse de la distribution de polarisation a révélé, pour la première fois expérimentalement, que des ordres de polarisation topologique comprenant des vortex, des anti-vortex, des skyrmions et un point de Bloch se produisent à l'intérieur des ferroélectriques de dimension 0, comme théoriquement prédit il y a 20 ans. En outre, il a également été constaté que le nombre de vortex internes peut être contrôlé en fonction de leur taille.
Les professeurs Sergey Prosandeev et Bellaiche (qui ont proposé avec d'autres collègues l'ordre théorique des vortex polaires il y a 20 ans) ont rejoint cette collaboration et ont en outre prouvé que les résultats de distribution des vortex obtenus à partir des expériences sont cohérents avec les calculs théoriques.
En contrôlant le nombre et l'orientation de ces distributions de polarisation, on s'attend à ce que cela puisse être utilisé dans des dispositifs de mémoire haute densité de nouvelle génération, capables de stocker plus de 10 000 fois la quantité d'informations dans un dispositif de même taille par rapport aux dispositifs existants.
Le Dr Yang, qui a dirigé la recherche, a expliqué l'importance des résultats : « Ce résultat suggère que le contrôle seul de la taille et de la forme des éléments ferroélectriques, sans avoir besoin de régler le substrat ou les effets environnementaux environnants tels que la déformation épitaxiale, peut manipuler les vortex ferroélectriques ou d'autres ordres topologiques à l'échelle nanométrique. Des recherches plus poussées pourraient ensuite être appliquées au développement d’une mémoire ultra haute densité de nouvelle génération.
L'étude a été principalement financée par les subventions de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financées par le gouvernement coréen (MSIT).
