Dynamische visualisaties leggen bloot hoe domeinwanden verschuiven in ferro -elektrische

Naarmate de vraag naar energie-intensief computergroeide groeit, hebben onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy een nieuwe techniek ontwikkeld die wetenschappers laat zien-in ongekende details-hoe interfaces in veelbelovende materialen voor computer en andere toepassingen bewegen. De methode, nu beschikbaar voor gebruikers in het Center for Nanophas Materials Sciences bij ORNL, kan helpen om dramatisch meer energie-efficiënte technologieën te ontwerpen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Kleine methoden.

Datacenters verbruiken tegenwoordig zoveel energie als kleine steden, en dat gebruik steekt omhoog. Om de trend tegen te gaan, bestuderen wetenschappers exotische materialen zoals ferro -elektriciteit die informatie veel efficiënter kan opslaan en verwerken dan silicium, dat traditioneel wordt gebruikt. Maar het realiseren van het potentieel hangt af van het begrijpen van de processen die plaatsvinden bij dimensies duizenden keren kleiner dan een menselijk haar – specifiek, op de domeinwanden van het ferro -elektrische materiaal, die de grenzen zijn tussen gebieden van het materiaal dat verschillende magnetische of elektrische eigenschappen vertoont.

“Domeinwanden kunnen volledig verschillende eigenschappen hebben dan de aangrenzende domeinen die ze scheiden”, zei Neus Domingo van Ornl. “Sommigen kunnen elektriciteit uitvoeren-ondanks het bulkmateriaal dat niet-geleidend is-terwijl anderen magnetisch gedrag vertonen, ondanks dat het omliggende materiaal niet-magnetisch is. Deze verschillen zijn belangrijk omdat ze ons in staat stellen ze te gebruiken als nieuwe nano-elektronische componenten om signalen op te slaan en te processignalen op de kleinste schalen, wat de sleutel is voor het ontwikkelen van de volgende generatie lage power-apparaten zoals geheugenchips en sensoren.”

Onderzoekers onthulden een nieuwe techniek die gedetailleerde weergaven vastlegt over hoe domeinwanden bewegen onder snel fluctuerende elektrische velden. Zoals beschreven in de paper, onthult de techniek, genaamd scanning oscillator piëzoresponse krachtmicroscopie, zowel trage als plotselinge bewegingen in deze grenzen, waardoor nieuwe inzichten in energiebeheer op extreem kleine schalen worden geboden.

Het begrijpen en beheersen van het gedrag van dergelijke domeinwanden zonder deze nieuwe techniek is als proberen een voetbalwedstrijd te coachen van slechts twee nog foto’s: een die de quarterback toonde opgesteld vóór de snap, en een andere die het moment vastlegt nadat het stuk is afgelopen. Zonder de tussendoor te kennen, is het veel moeilijker om te weten of het spel een run of een pass was, welke spelers kritisch waren of welke inspanning tot het resultaat leidde. Verbetering van hoe het team speelt, moet alle actie zien.

“De methode vult cruciale hiaten in door dynamische visualisaties te creëren waarmee wetenschappers kunnen observeren hoe domeinwanden bewegen en beter schatten hoeveel energie nodig is om ze te verplaatsen. Het verandert een statische snapshot in een levendige, verklarende volgorde,” zei Stephen Jesse van Ornl.

“Met behulp van nauwkeurig getimede meting- en controlelectronica kunnen we de toestand van een ferro -elektrisch materiaal snel en systematisch veranderen en kijken hoe veranderingen in de loop van de tijd evolueren. Tot nu toe is dit detailniveau niet bereikt met behulp van atomaire krachtmicroscopie, en de methode kan worden aangepast voor gebruik in elektronenmicroscopes en andere gevorderde instrumenten.”

De techniek vangt zowel de kleine, herhaalde beweging van domeinwanden als ze reageren op veranderingen in hun omgeving-zoals elektrische of mechanische signalen-en de plotselinge, stop-en-go bewegingen die gebeuren wanneer de muren kort vastzitten en vervolgens abrupt verschuiven, als een deur die vastloopt voordat deze open zwaait.

Deze bewegingspatronen, zowel glad als schokkerig, onthullen hoe ferro -elektrische polarisatie binnen het materiaal wordt gemodificeerd. Ferro -elektrische polarisatie is de natuurlijke uitlijning van elektrische ladingen in bepaalde materialen die kunnen worden gewijzigd door een extern elektrisch veld, en dit vermogen is cruciaal voor toepassingen zoals geheugenopslag en sensoren.

De onderzoekers willen deze techniek verder verfijnen om andere materialen te bestuderen en samen te werken met industriële partners om potentiële commerciële toepassingen te verkennen.