7월 14, 2024

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물리학자들은 0차원 강유전성의 '3차원 소용돌이'를 밝힙니다.

물리학자들은 0차원 강유전성의 '3차원 소용돌이'를 밝힙니다.

KAIST 연구진이 여러 기관과 협력하여 광전지 나노입자 내부의 소용돌이 모양의 3차원 편광 분포를 실험적으로 확인했습니다. 원자 전자 단층촬영을 사용하여 그들은 티탄산 바륨 나노입자의 원자 위치를 매핑하고 내부 분극 분포를 계산했습니다. 이번 발견은 20년 전의 이론적 예측을 확증하고 초고밀도 메모리 장치 개발의 잠재력을 갖고 있습니다.

카이스트그가 이끄는 연구팀은 강유전성 나노입자의 3차원 내부 분극 분포를 성공적으로 입증하여 현재 기술보다 10,000배 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 첨단 메모리 장치의 길을 열었습니다.

외부 자기장이 필요 없이 독립적으로 자화된 상태를 유지하는 물질을 강자성체라고 합니다. 마찬가지로 강유전체는 외부 전기장 없이 자체적으로 분극 상태를 유지할 수 있어 강자성체와 전기적으로 동등한 역할을 합니다.

강자성체는 특정 임계값 이하로 나노 크기로 축소되면 자기 특성을 잃는 것으로 알려져 있습니다. 강유전성 물질이 매우 작은 부피로 모든 방향에서 동일하게 만들어지면(즉, 나노입자와 같은 무차원 구조) 어떤 일이 발생하는지는 오랫동안 논쟁의 대상이었습니다.

KAUST 물리학과 양영수 박사 연구팀은 포스텍, 서울대, KBSI, LBNL과의 국제공동연구를 통해 강유전체 나노입자 내부의 3차원 소용돌이 형태의 분극 분포를 최초로 규명했다. 그리고 아칸소 대학교.

약 20년 전, 로랑 벨리치(현 아칸소 대학교) 교수와 그의 동료들은 강유전성 나노점 내부에서 환상형 소용돌이 형태로 배열된 독특한 형태의 분극 분포가 발생할 수 있음을 이론적으로 예측했습니다. 또한, 이러한 와류 분포를 적절하게 제어할 수 있다면 기존 소자보다 10,000배 더 큰 용량을 갖는 고밀도 메모리 소자에 적용할 수 있을 것이라고 제안했다. 그러나 강유전성 나노구조체 내에서 3차원 분극 분포를 측정하는 것이 어렵기 때문에 실험적으로 명확하게 밝혀지지 않았습니다.

전자 단층 촬영의 고급 기술

KAIST 연구팀은 원자전자단층촬영(Atomic Electron Tomography)이라는 기술을 구현하여 이 20년 된 과제를 해결했습니다. 이 기술은 다양한 기울기 각도에서 나노물질의 원자 해상도 투과전자현미경 이미지를 획득한 다음 고급 재구성 알고리즘을 사용하여 이를 3D 구조로 다시 재구성하는 방식으로 작동합니다. 전자 단층촬영은 병원에서 내부 장기를 3차원으로 보기 위해 사용하는 CT 스캔에 사용되는 것과 동일한 방법으로 이해될 수 있습니다. KAIST 팀은 단일 샘플에 대한 전자현미경을 사용하여 이를 나노물질에 독특하게 적용했습니다.옥수수 수준.

원자전자단층촬영을 통해 검출된 BaTiO3 나노입자의 3차원 분극 분포

원자전자단층촬영을 통해 밝혀진 BaTiO3 나노입자의 3차원 분극 분포. (왼쪽) 여러 기울기 각도에서 투과 전자 현미경 이미지를 획득하고 이를 3D 원자 구조로 재구성하는 전자 단층 촬영 기술의 개략도. (가운데) 원자전자단층촬영을 통해 BaTiO3 나노입자 내부의 3차원 편광 분포를 실험적으로 결정하였다. 소용돌이 모양의 구조가 바닥 근처(파란색 점)에서 명확하게 보입니다. (오른쪽) 편광 분포의 2D 단면, 소용돌이 중심을 얇게 슬라이스한 것이며, 색상과 화살표가 함께 편광 방향을 나타냅니다. 뚜렷한 소용돌이 구조를 관찰할 수 있습니다.

연구진은 강유전성 물질인 티탄산바륨(BaTiO3) 나노입자 내부의 전체 양이온 원자 위치를 원자전자단층촬영(ATO)을 이용해 3차원으로 측정했다. 정확하게 정의된 3D 원자 배열을 통해 단일 원자 수준에서 3D 내부 편광 분포를 추가로 계산할 수 있었습니다. 분극 분포 분석을 통해 20년 전에 이론적으로 예측된 ​​바와 같이 와류, 반와류, 스커미온, 블로흐점 등의 위상적 분극 배열이 0차원 강유전체 내부에서 발생한다는 사실이 처음으로 실험적으로 밝혀졌습니다. 또한, 내부 와류의 수는 크기에 따라 제어될 수 있음도 밝혀졌습니다.

Sergei Brusandev 교수와 Belich 교수(다른 동료들과 함께 20년 전에 이론적으로 극 소용돌이 배열을 제안한 사람)가 이 공동 작업에 참여했으며 실험에서 얻은 소용돌이 분포 결과가 이론적 계산과 일치함을 입증했습니다.
이러한 편파 분포의 수와 방향을 제어함으로써 기존 소자 대비 소자 자체에 10,000배 이상의 정보량을 저장할 수 있는 차세대 고밀도 메모리 소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 양 박사는 이번 연구 결과의 의의를 다음과 같이 설명했다. “이번 결과는 기판을 조정할 필요나 에피택셜 응력과 같은 주변 환경 영향 없이 강유전체 재료의 크기와 모양만 제어하면 강유전체 소용돌이를 조작할 수 있음을 시사합니다. 또는 나노 규모의 다른 토폴로지 배열. 그런 다음 차세대 초고밀도 메모리 개발에 추가 연구가 적용될 수 있습니다.

참고: “나노입자에서 극성 토폴로지의 3차원 순서를 밝히다” – 정치화, 이주혁, 조혜성, 오자요한, 백현석, 조경준, 손준우, 최세영, Sergey Brusandev, Laurent Belich 및 Youngsoo 저 양, 2024년 5월 8일, 네이처커뮤니케이션즈.
도이: 10.1038/s41467-024-48082-x

본 연구는 주로 한국정부(MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 연구비의 지원을 받아 수행되었습니다.