作者安德烈·萨勒斯，阿尔贡国家实验室 艺术家对铁电材料中极性涡旋运动的构想
这些小原子群必须被高频电场激发才能移动，但是研究它们的行为可能会导致数据存储和处理的新创新
学分:海丹文/阿尔贡国家实验室
我们的高速、高带宽世界不断需要新的方法来处理和存储信息
几十年来，半导体和磁性材料构成了数据存储设备的主体
然而，近年来，研究人员和工程师已经转向铁电材料，一种可以用电操纵的晶体
2016年，铁电体的研究变得更加有趣，因为在材料结构中发现了极性漩涡——基本上是螺旋形的原子群
现在一个由美国科学家领导的研究小组
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能源部阿贡国家实验室发现了对这些漩涡行为的新见解，这些见解可能是将它们用于快速、多功能数据处理和存储的第一步
这些材料中原子团的行为有什么重要的？首先，这些极地涡旋是有趣的新发现，即使它们只是静静地坐着
另一方面，这项发表在《自然》杂志封面故事的新研究揭示了它们是如何运动的
这种新的螺旋模式的原子运动可以被诱导发生，并且可以被操纵
对于这种材料在未来数据处理和存储设备中的潜在用途来说，这是个好消息
“虽然单个原子的运动可能并不太令人兴奋，但这些运动结合在一起创造了一些新的东西——科学家称之为紧急现象的例子——这可能具有我们以前无法想象的能力，”阿尔贡x光科学部()的物理学家温海丹说
这些漩涡确实很小——大约五六纳米宽，比一根头发的宽度小几千倍，或者是一根脱氧核糖核酸链宽度的两倍
然而，在典型的实验室环境中无法观察到它们的动态
他们需要通过施加超快电场来激发行动
所有这些使得它们难以观察和描述
温和他的同事约翰·弗里兰(John Freeland)是阿尔贡的一名资深物理学家，他们花了数年时间研究这些涡旋，首先在阿尔贡用高级光子源(APS)的超亮X射线，最近在美国能源部SLAC国家加速器实验室用LINAC相干光源()的自由电子激光能力
美国物理学会和LCLS都是美国能源部科学用户设施办公室
利用APS，研究人员能够使用激光创造一种新的物质状态，并使用x光衍射获得其结构的全面图像
2019年，由阿尔贡和宾夕法尼亚州立大学联合领导的团队在《自然材料》封面故事中报告了他们的发现，最显著的是漩涡可以用光脉冲操纵
数据是在几条APS束线上获得的:7-ID-C、11-ID-D、33-BM和33-ID-C
宾夕法尼亚州立大学材料科学、工程和物理学教授文卡特拉曼·戈帕兰说:“虽然这种新的物质状态，即所谓的超晶体，并不是自然存在的，但它可以通过用光照射两种不同材料精心设计的薄层而产生。”
“测量微小物体的运动需要做大量的工作，”弗里兰说
“问题是，我们如何用x光看到这些现象？我们可以看到这个系统有一些有趣的东西，一些我们可以用超快时间尺度探测器来描述的东西
" APS能够在纳秒时间尺度上拍摄这些漩涡的快照——比眨眼的速度快一亿倍——但是研究小组发现这还不够快
“我们知道一定发生了一些我们无法察觉的令人兴奋的事情，”温说
“APS实验帮助我们精确定位了我们想要测量的地方，以更快的时间尺度，这是我们在APS上无法获得的
但是LCLS，我们在SLAC的姐妹机构，提供了解决这个难题所需的精确工具
" 温和弗里兰与来自和美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的同事——宾夕法尼亚州立大学的戈帕兰和龙·——一起进行前期研究；捷克科学院物理研究所电介质系主任Jirka Hlinka威斯康辛大学的保罗·埃文斯；和他们的团队——设计一个新的实验，能够告诉他们这些原子的行为，以及这种行为是否可以被控制
利用他们在美国物理学会的知识，研究小组——包括新论文的主要作者，清华大学的李权和宾夕法尼亚州立大学的弗拉迪米尔·斯托伊察，他们都是美国物理学会的博士后研究员——在SLAC的LCLS进行了进一步的研究
斯坦福大学和SLAC大学的材料科学与工程和光子科学副教授亚伦·林登伯格说:“LCLS利用x光束在传统x光仪器无法达到的时间尺度上拍摄原子的活动快照。”
“x光散射可以绘制出结构图，但需要像LCLS这样的机器才能看到原子的位置，并跟踪它们如何以难以想象的速度动态运动
" 使用伯克利实验室的Ramamoorthy Ramesh和Lane Martin设计的新铁电材料，该团队能够通过太赫兹频率的电场激发一组原子做旋转运动，该频率大约是手机处理器的1000倍
然后，他们能够以飞秒时间尺度捕捉这些自旋的图像
飞秒是十亿分之一秒——这是如此短的一段时间，以至于光在结束之前只能传播一个小细菌的长度
以这种精确度，研究小组看到了一种他们从未见过的新型运动
“尽管理论家们对这种类型的运动感兴趣，但在这个实验完成之前，极地涡旋的精确动力学特性仍然是模糊的，”赫林卡说
“实验发现帮助理论家完善了模型，为实验观察提供了微观视角
揭示这种一致的原子舞蹈是一次真正的冒险
" 这一发现提出了一系列新的问题，需要进一步的实验来回答，计划中的APS和LCLS光源的升级将有助于进一步推动这项研究
正在建设中的LCLS二号将把它的x光脉冲从每秒1.2亿次增加到每秒100万次，使科学家能够以前所未有的精确度观察材料的动力学
APS升级版将使用最先进的模型取代目前的电子储存环，将相干X射线的亮度提高500倍，使研究人员能够以纳米分辨率成像像这些漩涡一样的小物体。
研究人员已经可以看到这些知识的可能应用
林登伯格说，这些材料可以通过微小的变化进行调整，这一事实带来了广泛的可能性
“从根本上看，我们看到了一种新的物质，”他说
“从信息存储的技术角度来看，我们希望利用这些频率上发生的事情来实现高速、高带宽的存储技术
我对控制这种材料的性质感到兴奋，这个实验从动力学的角度展示了可能的方法，比我们想象的要快
" 温和弗里兰对此表示同意，并指出这些材料可能有尚未有人想到的用途
弗里兰说:“你不会想要像晶体管那样的东西，因为我们已经有晶体管了。”
“所以你寻找新的现象
他们能带来哪些方面？我们寻找速度更快的物体
这就是激励人们的东西
怎么才能做点不一样的事？"
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