Nosso mundo de alta velocidade e largura de banda exige constantemente novas maneiras de processar e armazenar informações. Semicondutores e materiais magnéticos constituem a maior parte dos dispositivos de armazenamento de dados há décadas. Nos últimos anos, no entanto, pesquisadores e engenheiros se voltaram para materiais ferroelétricos, um tipo de cristal que pode ser manipulado com eletricidade.
Em 2016, o estudo da ferroelétrica ficou mais interessante com a descoberta de vórtices polares – essencialmente agrupamentos de átomos em forma de espiral – dentro da estrutura do material. Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriu novos insights sobre o comportamento desses vórtices, insights que podem ser o primeiro passo para usá-los para armazenamento e processamento de dados versáteis e rápidos.
O que há de tão importante no comportamento de grupos de átomos nesses materiais? Por um lado, esses vórtices polares são novas descobertas intrigantes, mesmo quando estão parados. Por outro lado, esta nova pesquisa, publicada como matéria de capa na Nature, revela como eles se movem. Este novo tipo de movimento atômico espiralado pode ser persuadido a ocorrer e pode ser manipulado. Essa é uma boa notícia para o uso potencial deste material em dispositivos futuros de processamento e armazenamento de dados.
“Embora o movimento de átomos individuais por si só possa não ser muito emocionante, esses movimentos se unem para criar algo novo – um exemplo do que os cientistas chamam de fenômenos emergentes – que pode hospedar capacidades que não podíamos imaginar antes”, disse Haidan Wen, um físico na Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne (XSD).
Esses vórtices são realmente pequenos – cerca de cinco ou seis nanômetros de largura, milhares de vezes menores que a largura de um fio de cabelo humano, ou cerca de duas vezes a largura de uma única fita de DNA. Sua dinâmica, no entanto, não pode ser vista em um ambiente de laboratório típico. Eles precisam ser estimulados a agir aplicando um campo elétrico ultrarrápido.
Tudo o que os torna difíceis de observar e caracterizar. Wen e seu colega, John Freeland, um físico sênior do XSD de Argonne, passaram anos estudando esses vórtices, primeiro com os raios X ultrabright da Advanced Photon Source (APS) em Argonne e, mais recentemente, com os recursos de laser de elétrons livres do LINAC Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory do DOE. Tanto o APS quanto o LCLS são instalações do usuário do DOE Office of Science.
Usando o APS, os pesquisadores puderam usar lasers para criar um novo estado da matéria e obter uma imagem abrangente de sua estrutura usando difração de raios-X. Em 2019, a equipe, liderada conjuntamente por Argonne e a Universidade Estadual da Pensilvânia, relatou suas descobertas em uma matéria de capa da Nature Materials, principalmente que os vórtices podem ser manipulados com pulsos de luz. Os dados foram obtidos em várias linhas de luz APS: 7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM e 33-ID-C.
“Embora este novo estado da matéria, um chamado supercral, não exista naturalmente, ele pode ser criado iluminando camadas finas cuidadosamente projetadas de dois materiais distintos usando luz”, disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência dos materiais e engenharia e física da Penn Estado.
“Muito trabalho foi feito para medir o movimento de um objeto minúsculo”, disse Freeland. “A questão era: como vemos esses fenômenos com raios-X? Pudemos ver que havia algo interessante com o sistema, algo que poderíamos ser capazes de caracterizar com sondas de escala de tempo ultrarrápidas.”
O APS foi capaz de tirar instantâneos desses vórtices em escalas de tempo de nanossegundos – cem milhões de vezes mais rápido do que leva para piscar os olhos – mas a equipe de pesquisa descobriu que isso não era rápido o suficiente.
“Sabíamos que algo emocionante devia estar acontecendo que não podíamos detectar”, disse Wen. “Os experimentos APS nos ajudaram a localizar onde queremos medir, em escalas de tempo mais rápidas que não conseguimos acessar no APS. Mas LCLS, nossa unidade irmã no SLAC, fornece as ferramentas exatas necessárias para resolver esse quebra-cabeça.”
Com sua pesquisa anterior em mãos, Wen e Freeland se juntaram a colegas do SLAC e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) – Gopalan e Long-Qing Chen da Universidade Estadual da Pensilvânia; Jirka Hlinka, chefe do Departamento de Dielétrica do Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências; Paul Evans, da University of Wisconsin, Madison; e suas equipes – para projetar um novo experimento que seria capaz de dizer a eles como esses átomos se comportam e se esse comportamento poderia ser controlado. Usando o que aprenderam na APS, a equipe – incluindo os principais autores do novo artigo, Quan Li da Universidade Tsinghua e Vladimir Stoica da Universidade Estadual da Pensilvânia, ambos pesquisadores de pós-doutorado na APS – prosseguiram investigações no LCLS no SLAC .
“O LCLS usa feixes de raios-X para tirar instantâneos do que os átomos estão fazendo em escalas de tempo não acessíveis aos aparelhos convencionais de raios-X”, disse Aaron Lindenberg, professor associado de ciência de materiais e engenharia e ciências de fótons na Universidade de Stanford e SLAC. “O espalhamento de raios-X pode mapear estruturas, mas é necessária uma máquina como o LCLS para ver onde os átomos estão e rastrear como eles se movem dinamicamente em velocidades inimaginavelmente rápidas.”
Usando um novo material ferroelétrico projetado por Ramamoorthy Ramesh e Lane Martin no Berkeley Lab, a equipe foi capaz de excitar um grupo de átomos em movimento giratório por um campo elétrico em frequências terahertz, a frequência que é cerca de 1.000 vezes mais rápida que o processador em sua célula telefone. Eles foram capazes de capturar imagens dessas rotações em escalas de tempo de femtossegundos. Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo – é um período de tempo tão curto que a luz só pode viajar pelo comprimento de uma pequena bactéria antes de terminar.
Com esse nível de precisão, a equipe de pesquisa viu um novo tipo de movimento que não tinha visto antes.
“Apesar dos teóricos estarem interessados neste tipo de movimento, as propriedades dinâmicas exatas dos vórtices polares permaneceram nebulosas até a conclusão deste experimento”, disse Hlinka. “As descobertas experimentais ajudaram os teóricos a refinar o modelo, fornecendo uma visão microscópica nas observações experimentais. Foi uma verdadeira aventura revelar esse tipo de dança atômica combinada.”
Esta descoberta abre um novo conjunto de perguntas que exigirão mais experimentos para responder, e as atualizações planejadas das fontes de luz APS e LCLS ajudarão a levar essa pesquisa adiante. O LCLS-II, agora em construção, aumentará seus pulsos de raios-X de 120 para 1 milhão por segundo, permitindo que os cientistas observem a dinâmica dos materiais com uma precisão sem precedentes.
E a atualização do APS, que substituirá o atual anel de armazenamento de elétrons por um modelo de última geração que aumentará o brilho dos raios X coerentes em até 500 vezes, permitirá aos pesquisadores obter imagens de pequenos objetos como esses vórtices com resolução nanométrica.
Os pesquisadores já podem ver as possíveis aplicações desse conhecimento. O fato de que esses materiais podem ser ajustados aplicando pequenas mudanças abre uma ampla gama de possibilidades, disse Lindenberg.
“De uma perspectiva fundamental, estamos vendo um novo tipo de assunto”, disse ele. “De uma perspectiva tecnológica de armazenamento de informações, queremos aproveitar o que está acontecendo nessas frequências para tecnologia de armazenamento de alta velocidade e largura de banda. Estou entusiasmado com o controle das propriedades deste material, e este experimento mostra possíveis maneiras de fazendo isso em um sentido dinâmico, mais rápido do que pensávamos ser possível. ”
Wen e Freeland concordaram, observando que esses materiais podem ter aplicações nas quais ninguém pensou ainda.
“Você não quer algo que faça o que um transistor faz, porque já temos transistores”, disse Freeland. “Então você procura novos fenômenos. Que aspectos eles podem trazer? Procuramos objetos com maior velocidade. Isso é o que inspira as pessoas. Como podemos fazer algo diferente?”
Publicado em 15/04/2021 23h51
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