Наноматериалите ще увеличат капацитета на запаметяващите устройства с над 10 000 пъти в сравнение с настоящите решения.

Материалите, които могат да поддържат намагнетизирано състояние без външно магнитно поле, се наричат феромагнити. Фероелектриците са техният електрически аналог, тъй като могат да поддържат поляризирано състояние без външно електрическо поле.

Известно е, че феромагнитите губят магнитните си свойства, когато са сведени до наноразмер. Въпросът какво се случва с фероелектриците при такова намаляване на размера дълго време остана спорен.

Изследователска група, ръководена от д-р Йонгсу Янг от Катедрата по физика в KAIST, за първи път експериментално изясни триизмерното, подобно на вихър разпределение на поляризацията във фероелектричните наночастици в рамките на международно сътрудничество с POSTECH, SNU, KBSI, LBNL и Университета в Арканзас.

Това изследване е публикувано в Nature Communications в статията „Unravelling the three-dimensional arrangement of polar topology in nanoparticles“ („Разкриване на триизмерното разположение на полярната топология в наночастиците“).

Преди около 20 години професор Лоран Белеш (сега в Университета на Арканзас) и колегите му теоретично предвидиха, че във фероелектричните наночастици може да възникне уникална форма на разпределение на поляризацията под формата на тороидален вихър. Те също така изказват хипотезата, че ако това разпределение може да бъде контролирано, ще могат да бъдат създадени запаметяващи устройства със свръхвисока плътност и капацитет над 10 000 пъти по-голям от сега съществуващите.

Експерименталното потвърждение на тази теория обаче не можеше да бъде получено поради трудностите при измерването на триизмерното разпределение на поляризацията във фероелектрични наноструктури. Изследователската група на KAIST реши този проблем с помощта на техниката на атомната електронна томография.

Тази техника работи чрез заснемане на изображения с атомна разделителна способност на наноматериали под различни ъгли на наклон и след това ги реконструира в триизмерни структури с помощта на усъвършенствани алгоритми за реконструкция.

Атомната електронна томография по същество е подобна на техниките на компютърната томография, използвани в медицината за триизмерно изобразяване на вътрешните органи. Екипът на KAIST я е адаптирал за изследване на наноматериалите на ниво отделни атоми.

С помощта на тази атомна електронна томография изследователите изцяло измериха в три измерения позицията на катионните атоми в наночастиците от бариев титанат (BaTiO3), добре познат фероелектричен материал. На базата на прецизно определените триизмерни атомни структури те успяха да изчислят вътрешното триизмерно разпределение на поляризацията на ниво отделни атоми.

Анализът на разпределението на поляризацията за първи път експериментално потвърди наличието на топологични подредби като вихри, антивихри, скирмиони и точка на Блох вътре в нулевомерните фероелектрици, както беше теоретично прогнозирано преди 20 години. Освен това беше установено, че броят на вътрешните вихри може да се контролира в зависимост от техния размер.

Професор Сергей Просандев и професор Беллеш, които теоретично предсказаха подреждането на полярните вихри преди 20 години, се включиха в това изследване и потвърдиха, че експерименталните резултати съвпадат с теоретичните изчисления.

Благодарение на възможността за прецизен контрол на броя и ориентацията на поляризационните разпределения се очаква тези иновативни материали да станат основа на следващото поколение устройства за съхранение с безпрецедентно висока плътност на записа. Използвайки съвременните постижения в областта на наноматериалите, тези устройства ще могат да съхраняват над 10 000 пъти повече информация в същия обем в сравнение със сегашните решения за съхранение на данните.

Това откритие не само значително ще разшири възможностите за съхраняване на непрекъснато нарастващите количества цифрови данни, но може да доведе и до драматични промени в областта на компютърните технологии и системите за обработка на информация. Миниатюрните устройства за съхранение на данни със свръхголям капацитет ще проправят пътя към по-малки, по-енергийно ефективни и по-производителни компютърни системи, като по този начин ще стимулират по-нататъшния технологичен напредък.

Комерсиализацията на тези обещаващи материали би могла да бъде истинска революция в съхранението и обработката на данни, позволявайки експоненциално нарастване на капацитета за съхранение при запазване на компактни размери.