Découvrir la dynamique de groupes d’atomes ultra-petits et ultra-rapides – Technoguide

Notre monde à haut débit et à large bande passante nécessite constamment de nouvelles méthodes de traitement et de stockage des informations. Les semi-conducteurs et les matériaux magnétiques constituent l’essentiel des dispositifs de stockage de données depuis des décennies. Ces dernières années, cependant, les chercheurs et les ingénieurs se sont tournés vers les matériaux ferroélectriques, un type de cristal qui peut être manipulé avec de l’électricité.

En 2016, l’étude des ferroélectriques est devenue plus intéressante avec la découverte de tourbillons polaires – groupements d’atomes essentiellement en forme de spirale – au sein de la structure du matériau. Désormais, une équipe de chercheurs dirigée par le Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) a découvert de nouvelles informations sur le comportement de ces tourbillons, des informations qui pourraient être la première étape vers leur utilisation pour un traitement et un stockage rapides et polyvalents des données.

Qu’est-ce qui est si important dans le comportement des groupes d’atomes dans ces matériaux? D’une part, ces tourbillons polaires sont de nouvelles découvertes intrigantes, même lorsqu’ils sont simplement immobiles. D’autre part, cette nouvelle recherche, publiée en couverture dans Nature, révèle comment ils bougent. Ce nouveau type de mouvement atomique en forme de spirale peut être amené à se produire et peut être manipulé. C’est une bonne nouvelle pour l’utilisation potentielle de ce matériel dans les futurs dispositifs de traitement et de stockage de données.

“Bien que le mouvement des atomes individuels ne soit peut-être pas trop excitant, ces mouvements se rejoignent pour créer quelque chose de nouveau – un exemple de ce que les scientifiques appellent des phénomènes émergents – qui peuvent héberger des capacités que nous ne pouvions pas imaginer auparavant”, a déclaré Haidan Wen. , physicien à la Division des sciences des rayons X (XSD) d’Argonne.

Ces tourbillons sont en effet petits – environ cinq ou six nanomètres de large, des milliers de fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain, ou environ deux fois plus larges qu’un seul brin d’ADN. Leur dynamique, cependant, ne peut pas être vue dans un environnement de laboratoire typique. Ils doivent être excités en action en appliquant un champ électrique ultrarapide.

Tout cela les rend difficiles à observer et à caractériser. Wen et son collègue, John Freeland, physicien senior dans le XSD d’Argonne, ont passé des années à étudier ces tourbillons, d’abord avec les rayons X ultra-brillants de la source de photons avancés (APS) à Argonne, et plus récemment avec les capacités laser à électrons libres. de la source de lumière cohérente LINAC (LCLS) au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE. L’APS et le LCLS sont tous deux des installations destinées aux utilisateurs du DOE Office of Science.

Grâce à l’APS, les chercheurs ont pu utiliser des lasers pour créer un nouvel état de la matière et obtenir une image complète de sa structure à l’aide de la diffraction des rayons X. En 2019, l’équipe, dirigée conjointement par Argonne et la Pennsylvania State University, a rapporté ses découvertes dans un article de couverture de Nature Materials, notamment le fait que les vortex peuvent être manipulés avec des impulsions lumineuses. Les données ont été prises à plusieurs lignes de lumière APS: 7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM et 33-ID-C.

“Bien que ce nouvel état de la matière, un soi-disant supercristal, n’existe pas naturellement, il peut être créé en éclairant des couches minces soigneusement conçues de deux matériaux distincts à l’aide de la lumière”, a déclaré Venkatraman Gopalan, professeur de science des matériaux et d’ingénierie et de physique à Penn État.

“Beaucoup de travail a été consacré à la mesure du mouvement d’un objet minuscule”, a déclaré Freeland. «La question était, comment voyons-nous ces phénomènes avec les rayons X? Nous pouvions voir qu’il y avait quelque chose d’intéressant avec le système, quelque chose que nous pourrions être en mesure de caractériser avec des sondes à échelle de temps ultra-rapides.

L’APS a pu prendre des instantanés de ces tourbillons à des échelles de temps de la nanoseconde – cent millions de fois plus vite qu’il n’en faut pour cligner des yeux – mais l’équipe de recherche a découvert que ce n’était pas assez rapide.

“Nous savions que quelque chose d’excitant devait se produire que nous ne pouvions pas détecter”, a déclaré Wen. “Les expériences APS nous ont aidés à déterminer où nous voulons mesurer, à des échelles de temps plus rapides auxquelles nous n’avons pas pu accéder à l’APS. Mais LCLS, notre installation sœur du SLAC, fournit les outils exacts nécessaires pour résoudre ce casse-tête.”

Avec leurs recherches antérieures en main, Wen et Freeland ont rejoint des collègues du SLAC et du laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE (Berkeley Lab) – Gopalan et Long-Qing Chen de la Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, chef du département de diélectrique à l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences; Paul Evans de l’Université du Wisconsin, Madison; et leurs équipes – pour concevoir une nouvelle expérience qui serait en mesure de leur dire comment ces atomes se comportent et si ce comportement peut être contrôlé. S’appuyant sur ce qu’ils ont appris à l’APS, l’équipe – y compris les principaux auteurs du nouvel article, Qian Li et Vladimir Stoica, tous deux post-doctorants à l’APS au moment de ces travaux – a poursuivi ses recherches au LCLS du SLAC. .

«LCLS utilise des faisceaux de rayons X pour prendre des instantanés de ce que font les atomes à des échelles de temps non accessibles aux appareils à rayons X conventionnels», a déclaré Aaron Lindenberg, professeur agrégé de science des matériaux et d’ingénierie et sciences des photons à l’Université de Stanford et au SLAC. “La diffusion des rayons X peut cartographier les structures, mais il faut une machine comme LCLS pour voir où se trouvent les atomes et pour suivre comment ils se déplacent dynamiquement à des vitesses incroyablement rapides.”

En utilisant un nouveau matériau ferroélectrique conçu par Ramamoorthy Ramesh et Lane Martin au Berkeley Lab, l’équipe a pu exciter un groupe d’atomes en mouvement tourbillonnant par un champ électrique à des fréquences térahertz, la fréquence qui est environ 1000 fois plus rapide que le processeur de votre cellule. téléphoner. Ils ont ensuite pu capturer des images de ces spins à des échelles de temps femtoseconde. Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde – c’est une période de temps si courte que la lumière ne peut voyager que sur la longueur d’une petite bactérie avant qu’elle ne soit terminée.

Avec ce niveau de précision, l’équipe de recherche a vu un nouveau type de mouvement qu’elle n’avait jamais vu auparavant.

“Bien que les théoriciens se soient intéressés à ce type de mouvement, les propriétés dynamiques exactes des tourbillons polaires sont restées nébuleuses jusqu’à la fin de cette expérience”, a déclaré Hlinka. “Les découvertes expérimentales ont aidé les théoriciens à affiner le modèle, fournissant un aperçu microscopique des observations expérimentales. C’était une véritable aventure de révéler ce genre de danse atomique concertée.”

Cette découverte ouvre un nouvel ensemble de questions auxquelles il faudra d’autres expériences pour répondre, et les mises à niveau prévues des sources lumineuses APS et LCLS aideront à pousser plus loin cette recherche. LCLS-II, actuellement en construction, augmentera ses impulsions de rayons X de 120 à 1 million par seconde, permettant aux scientifiques d’examiner la dynamique des matériaux avec une précision sans précédent.

Et la mise à niveau APS, qui remplacera l’anneau de stockage d’électrons actuel par un modèle de pointe qui augmentera la luminosité des rayons X cohérents jusqu’à 500 fois, permettra aux chercheurs d’imager de petits objets comme ces tourbillons avec résolution nanométrique.

Les chercheurs peuvent déjà voir les applications possibles de ces connaissances. Le fait que ces matériaux puissent être ajustés en appliquant de petits changements ouvre un large éventail de possibilités, a déclaré Lindenberg.

«D’un point de vue fondamental, nous voyons un nouveau type de question», a-t-il déclaré. «Du point de vue technologique du stockage des informations, nous voulons tirer parti de ce qui se passe à ces fréquences pour une technologie de stockage à haut débit et à large bande passante. Je suis enthousiasmé par le contrôle des propriétés de ce matériau, et cette expérience montre des moyens possibles de faire cela dans un sens dynamique, plus vite que nous ne pensions possible. “

Wen et Freeland sont d’accord, notant que ces matériaux peuvent avoir des applications auxquelles personne n’a encore pensé.

“Vous ne voulez pas quelque chose qui fasse ce que fait un transistor, car nous avons déjà des transistors”, a déclaré Freeland. “Vous cherchez donc de nouveaux phénomènes. Quels aspects peuvent-ils apporter? Nous recherchons des objets avec une vitesse plus rapide. C’est ce qui inspire les gens. Comment pouvons-nous faire quelque chose de différent?”

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