物理学者がゼロ次元の強誘電性の「3D渦」を明らかにする

ある カイスト同氏が率いる研究チームは、強誘電体ナノ粒子の三次元内部分極分布の実証に成功し、現在の技術の1万倍のデータを保存できる高度なメモリーデバイスへの道を切り開いた。

外部磁場を必要とせずに独立して磁化されたままである材料は、強磁性体として知られています。 同様に、強誘電性は外部電場がなくても分極状態を独自に維持することができ、強磁性体の電気的等価物として機能します。

強磁性体は、特定のしきい値を下回るナノスケールのサイズに縮小すると磁気特性を失うことが知られています。 強誘電体材料が非常に小さな体積であらゆる方向に（つまり、ナノ粒子のような無次元構造で）同じように作られると何が起こるかは、長い間論争の的でした。

KAUST物理学科のヤン・ヨンス博士率いる研究チームは、POSTECH、ソウル大学、KBSI、LBNLとの国際共同研究を通じて、強誘電体ナノ粒子内部の3次元渦状分極分布を初めて解明した。 そしてアーカンソー大学。

約20年前、ローラン・ベリッチ教授（現在はアーカンソー大学）と彼の同僚は、トロイダル渦の形で配置された独特な形の分極分布が強誘電体ナノドットの内部で発生する可能性があると理論的に予測した。 彼らはまた、この渦の分布を適切に制御できれば、既存のデバイスの1万倍の容量を持つ高密度メモリデバイスに適用できる可能性があると示唆した。 しかし、強誘電体ナノ構造内の 3D 分極分布の測定は困難であるため、実験による解明はまだ達成されていません。

電子断層撮影における高度な技術

KAISTの研究チームは、原子電子トモグラフィーと呼ばれる技術を導入することで、この20年来の課題を解決した。 この技術は、複数の傾斜角からナノマテリアルの原子分解能の透過型電子顕微鏡画像を取得し、高度な再構成アルゴリズムを使用して画像を 3D 構造に再構成することによって機能します。 電子断層撮影法は、病院で内臓を 3 次元で観察するために使用される CT スキャンと同じ方法として理解できます。 KAIST チームは、単一サンプルの電子顕微鏡検査を使用して、それをナノマテリアルに独自に適応させました。トウモロコシ レベル。

原子電子トモグラフィーによって明らかにされたBaTiO3ナノ粒子の三次元分極分布。 (左) 電子断層撮影技術の概略図。複数の傾斜角で透過型電子顕微鏡画像を取得し、それらを 3D 原子構造に再構成します。 (中) 原子電子トモグラフィーにより、BaTiO3 ナノ粒子内部の 3D 偏光分布が実験的に決定されました。 渦のような構造が底部近くにはっきりと見えます (青い点)。 (右) 偏光分布の2D断面を渦の中心で薄くスライスし、色と矢印で偏光方向を示します。 特徴的な渦構造が観察できます。

研究チームは、原子電子トモグラフィーを使用して、強誘電体材料であるチタン酸バリウム（BaTiO3）ナノ粒子内のカチオン原子全体の位置を三次元で測定した。 正確に定義された 3D 原子配置により、単一原子レベルでの 3D 内部分極分布をさらに計算することができました。 分極分布の解析により、20年前に理論的に予測されたように、渦、反渦、スキルミオン、ブロッホ点を含むトポロジカルな分極配置がゼロ次元強誘電体の内部で発生していることが実験的に初めて明らかになった。 さらに、内部渦の数はその大きさによって制御できることも判明した。

セルゲイ・ブルサンデフ教授とベリッチ教授（他の同僚とともに20年前に極渦配置を理論的に提案した）もこの共同研究に参加し、実験から得られた渦分布の結果が理論計算と一致することも実証した。
この分極分布の数と方向を制御することで、既存のデバイスと比較してデバイス自体に1万倍以上の情報量を記憶できる次世代の高密度メモリデバイスへの応用が期待されています。

研究を主導したヤン博士は、この発見の重要性について次のように説明した。「この結果は、基板やエピタキシャル応力などの周囲の環境の影響を調整することなく、強誘電体材料のサイズと形状を制御するだけで、強誘電体材料のサイズと形状を制御できることを示しています」ナノテクノロジーは、さらなる研究を次世代の超高密度メモリの開発に応用することができます。」

参考文献：「Revealing the Three-Dimensional Order of Polar Topology in Nanoparticle」（Chihwa Jeong、Joo Hyuk Lee、Hyesung Jo、Jayohan Oh、Hyunsuk Baek、Kyung Joon Jo、Junwoo Son、Se Young Choi、Sergey Brusandev、Laurent Belich、Youngsoo）ヤン、2024 年 5 月 8 日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
土井: 10.1038/s41467-024-48082-x

この研究は主に、韓国政府 (MSIT) が資金提供する韓国国立研究財団 (NRF) の助成金によって支援されました。