下一代技術，如尖端的記憶存儲解決方案和受大腦啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)，幾乎可以觸及我們生活的方方面面——從我們?nèi)粘Ｊ褂玫男」ぞ叩綉獙χ卮笕蛱魬?zhàn)的解決方案。這些進步依賴于特殊材料，包括具有可切換電性能的鐵電材料，可以提高性能和能源效率。

由美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家領導的一個研究小組開發(fā)了一種新技術，用于在鐵電體中創(chuàng)建精確的原子排列，為推進強大的新技術建立了一個強大的框架。這篇論文發(fā)表在《自然納米技術》雜志上。

ORNL的Marti Checa是該項目的首席研究員，他說:“形成這些材料的原子和電偶極子的局部修飾對于新的信息存儲、替代計算方法或高頻信號轉換設備至關重要。”“我們的方法通過促進原子取向按需重新排列成可能不會自然發(fā)生的拓撲極化結構的特定配置來促進創(chuàng)新?！?/p>

在這種情況下，極化是指材料中被稱為鐵電偶極子的小的內(nèi)部永久電場的方向。

為了創(chuàng)建可以根據(jù)需要激活的復雜結構，該團隊的技術使用了一種功能類似超細鉛筆的電子筆。這種觸控筆可以毫不費力地改變鐵電體中的電偶極子，將它們定向在選定的方向上，就像孩子們在磁性繪圖板上作畫一樣。

就像城市的布局塑造了人們在城市中穿行的方式一樣，設計的拓撲結構賦予了材料獨特的屬性。觸控筆為創(chuàng)造具有定制特性的材料提供了令人興奮的機會，這些材料非常適合低功耗納米電子學和6G時代必不可少的高速寬帶通信。

從5G標準過渡到第六代移動通信技術將涉及通信網(wǎng)絡設計和使用方面的重大進步和變革。寬帶和計算技術是錯綜復雜地聯(lián)系在一起的，彼此都能提高對方的性能。因此，創(chuàng)新材料將在擴大計算可能性方面發(fā)揮至關重要的作用。

即將到來的nanoelectro網(wǎng)卡的進步

今天的經(jīng)典計算機用一種簡單的“是”和“不是”的語言交流，用1和0表示。這種二元系統(tǒng)依賴于通過微小電路的電流。然而，由于寫入和讀取數(shù)據(jù)的需求，這種雙重選擇框架是有限的和能源密集型的。

相比之下，拓撲極化結構可以快速有效地改變其極化狀態(tài)，為開關提供高穩(wěn)定性和低能耗。這種極化的快速變化提高了鐵電體的價值，提高了各種器件的速度、效率和通用性。此外，它們允許在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)，為開發(fā)高密度、節(jié)能的計算系統(tǒng)鋪平了道路。

科學家們正在探索能夠更快地處理信息的材料，以滿足6g時代寬帶通信的要求。由于固有的亞太赫茲共振，這些結構也可以用于在高頻下工作的設備，這是材料或系統(tǒng)在低于1太赫茲- 1萬億赫茲的頻率下發(fā)生的自然振蕩或振動。

這樣的進步可以顯著提高未來計算系統(tǒng)的處理能力和效率，使它們能夠解決更復雜的問題，并以更大的適應性和更快的速度執(zhí)行任務，這是傳統(tǒng)計算機難以實現(xiàn)的。

最后，這些結構允許精確控制電子和光學特性，因此可以用于可調諧光電器件。鐵電材料具有獨特的電學、機械和熱性能，非常適合用于神經(jīng)形態(tài)計算和其他新技術。

快速極化轉移，超域動力學

ornl領導的研究揭示了一種先進的鐵電陶瓷材料(通常稱為PSTO)是如何在電子觸筆的引導下，在多步驟過程中切換其極化的。PSTO，即鈦酸鉛鍶，主要由鉛、鍶、鈦和氧組成。

一個叫做尾隨場的概念通常被用來解釋為什么鐵電體會對沿著表面移動的電場做出反應，在材料的平面上重新定位它們微小的電偶極子(小的正電荷和負電荷)。

然而，研究小組提出了一種替代方案，即存在一種中間的面外狀態(tài)，以描述材料從一種極化狀態(tài)過渡到另一種極化狀態(tài)時發(fā)生的相。當鐵電材料薄層的極化發(fā)生變化時，當電場的垂直部分暫時將電偶極子定向到表面平面外時，就會發(fā)生極化方向的短暫移動。

科學家們對中間面外態(tài)的洞見使超域結構的精確、按需操縱成為可能。超疇結構是鐵電材料(如PSTO)中微小區(qū)域的大規(guī)模模式，每個區(qū)域都具有不同的電偶極子排列。超疇結構非常重要，因為它們通過影響材料的整體行為和性能來影響材料在各種應用中的表現(xiàn)。

這項研究還展示了檢測彈性和靜電能量之間微妙平衡的能力。鐵電體具有機械(彈性)和電(靜電)能量相互作用，它們相互影響。例如，改變鐵電體的形狀會影響其電性能，反之亦然。研究這種平衡有助于研究人員了解如何更精確地控制材料的行為。

此外，研究人員還探索了令人沮喪的超邊界的適應性，即材料中具有不同電性能的不同區(qū)域相遇的區(qū)域。由于相互沖突的力量或約束，這些邊界不容易對齊或調整以最大限度地減少能量消耗，因此在自然界中很少發(fā)生。然而，按需創(chuàng)建新的拓撲極化結構使研究人員能夠穩(wěn)定這些受挫的超邊界并研究它們的奇異性質。

預測,公司納米級精度控制

通過整合從相關顯微鏡技術收集的鐵電材料的結構和功能數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)建了詳細的相場模型，預測材料在各種條件下的行為。這種能力有助于理解和優(yōu)化材料的穩(wěn)定性和極化。

“我們的項目開發(fā)了先進的方法，可以在納米尺度上精確地繪制材料的圖案，”切卡說。

“通過將專門設計的電筆尖端運動與自動化實驗裝置相結合，我們已經(jīng)展示了探索以前無法獲得的鐵電材料的新狀態(tài)和復雜狀態(tài)的能力。這一成就的一個關鍵方面是，它可以更好地理解和控制這些材料的獨特性能。”