Stiže li nova napredna elektronika

Kako znanstvenici sve više uče o manipulacijama materijalima na nanoskali, postavljaju osnovne temelje za razvoj novih, kompaktnih, efikasnih i inovativnih uređaja.

U znanstvenom radu koji će biti objavljen ovih dana u publikaciji Nature Materials, znanstvenici odjela energije u Brookhaven National Laboratoriju, Lawrence Berkeley National Laboratoriju, kao i njihovi kolege s kojima su u kolaboraciji, opisuju tehniku koja otkriva nikad viđene detalje o atomskim strukturama i ponašanju egzotičnih feroelektričnih materijala, koji su unikatno opremljeni mogućnošću pohrane digitalnih informacija.

Ovo istraživanje može dovesti do skaliranja na veće veličine tih materijala, kako bi se mogli koristiti u novoj generaciji napredne elektronike.

Znanstvenici su koristili tehniku koju su nazvali elektronska holografija, kako bi snimili električna polja s preciznošću u pikometrima, što je vrlo važno za razumijevanje tih obećavajućih nanočestica.

Dodavanjem različitih razina elektriciteta i podešavanjem temperature na uzorcima, znanstvenici su demonstrirali metodu za identifikaciju i opisivanje ponašanja i stabilnosti feroelektrike na najmanjim veličinama ikada, s velikim implikacijama na pohranu podataka,

"Ova vrsta detalja je nevjerojatna. Prvi puta možemo doista vidjeti pozicije atoma i povezati ih s feroelektricitetom u nanočesticama", izjavio je znanstvenik Yimei Zhu. "Ova vrsta fundamentalnog pogleda nije samo ogroman tehnički napredak, već otvara nove mogućnosti inženjerstva".

Feroelektrični materijali se najbolje mogu opisati kao rođaci feromagnetskih materijala koje možemo vidjeti na mnogo mjesta, od magneta u hladnjacima, pa do tvrdih diskova naših računala.

Feromagnetizam je oblik magnetizma koji se javlja kod nekih kovina: željeza, kobalta i nikala. Materijal je feromagnetski ukoliko kod djelovanja vanjskog magnetskog polja i sam postaje magnet, tako što se njegovi elementarni magneti (magnetni dipoli) orijentiraju u pravcu vanjskog polja tako što na dipole djeluje magnetizacija. Značajka feromagnetizma je histerezna krivulja u obliku slova S koja opisuje magnetizaciju feromagnetnih materijala pod utjecajem vanjskog magnetskog polja. Oblik ove krivulje posljedica je magnetskog usmjeravanja elektromagneta na razini atoma i usmjeravanja magnetnih domena koje se mjere u mikrometrima i nanometrima.

Feroelektrični materijali također imaju dipolne momente na molekularnoj skali, no karakterizira ih pozitivni ili negativni električni naboj umjesto magnetskog polariteta, a polarizacijom se može manipulirati, no okretanje naboja zahtijeva eksterno električno polje.

Te krucijalne podesive karakteristike dolaze od interne subatomske asimetrije i fenomena koji je prvi puta detaljno pokazan pomoću elektronskih mikroskopa u ovoj studiji.

Postojeći memorijski magnetski uređaji "pišu" podatke u feromagnetske materijale okretanjem njihovih dipolnih momenata kako bi korespondirali s 1 ili 0 u binarnom kodu računala.

Ovi manipulirani polariteti ih potom prevode u razne stvari, od filmova do web stranica. Sjajna sposobnost tih materijala da zadrže informaciju i kad se isključe, čini ih esencijalnim građevnim materijalom našeg sve većeg digitalnog svijeta.

Uglavnom, da vas više ne davimo s detaljima, feroelektrični materijali također mogu zadržavati i pohranjivati podatke, ali na još manjoj skali i većoj gustoći nego feromagnetski, odnosno prema riječima Zhua, "sada se krećemo s mikrometara (milijuntih dijelova metra), na nanometre (milijardite dijelove metra)".

Njihova elektronska holografija koristi interferometrijsku tehniku koja sadrži koherentne elektronske valove. Kada elektronski valovi prođu kroz feroelektrični uzorak, dođu pod utjecaj lokalnih električnih polja, a uzorci interferenci između elektrona koji prolaze kroz električna polja i oni koji ih ne proizvode, stvaraju ono što se naziva elektronski hologram, koji omogućuje znanstvenicima direktan pogled u ta lokalna električna polja oko individualnih nanočestica.

Studija je pokazala kako električni polaritet može ostati stabilan na individualnim feroelektričnim materijalima, što znači da svaka nanočestica može biti korištena kao jedan bit podataka. 

"Pravilno korišten, feroelektricitet može povećati gustoću memorije i pohraniti neparalelne multiplicirane terabajte informacija na samo jedan kvadratni inč elektronike (2,5 cm)", kaže Zhu. "To nas približava proizvodnji takvih uređaja".

Feroelektrične nanočestice koje su testirali, poluvodički germanij telurid i izolacioni barij titanat, proizvedeni su u  Lawrence Berkeley National Laboratoriju i dovedeni u Brookhaven Lab na eksperimente s elektronskom holografijom. Dodatni eksperimenti koriste difrakciju rendgenskih zraka a provode se u Argonne National Advanced Photon Source laboratoriju.