Irreducible sub-nm$^2$ ferroelectric domains by 2D-flat polar band in perovskite superlattices

Stel je een wereld voor waarin de piepkleine schakelaars in je computer kleiner kunnen worden gemaakt dan een enkel korrel zand, maar nog steeds hun geheugen met perfecte helderheid vasthouden. Dit is de droom van de moderne elektronica, gedreven door materialen die ferro-elektrische stoffen worden genoemd. Dit zijn speciale kristallen die werken als piekleine, permanente magneten, maar in plaats van magnetische noord- en zuidpolen, hebben ze elektrische noord- en zuidpolen. In een standaard ferro-elektrische geheugenchip wordt informatie opgeslagen door deze polen om te keren. Hoe kleiner het gebied dat je kunt omdraaien, hoe meer gegevens je in dezelfde ruimte kunt verpakken. Echter, de natuur heeft een koppige regel die deze schakelaars tegengehouden heeft om echt minuscuul te worden. Meestal, wanneer je probeert het gebied van een omgekeerd gebied te verkleinen, wordt de energie die nodig is om de vorm te behouden te hoog, waardoor de schakelaar terugspringt of versmelt met zijn buren. Deze fysieke limiet heeft ervoor gezorgnd dat de geheugendichtheden relatief laag bleven, waardoor ingenieurs grotere, minder efficiënte componenten moesten bouwen.

Een team onderzoekers aan het Ulsan National Institute of Science and Technology in Zuid-Korea heeft een manier gevonden om deze koppige regel te omzeilen. Door zorgvuldig lagen van verschillende materialen op elkaar te stapelen, hebben zij een nieuwe structuur gecreëerd waar de elektrische schakelaars kunnen worden verkleind tot een omvang die voorheen als onmogelijk werd beschouwd. Hun werk, onlangs gepubliceerd, beschrijft een materiaal waarbij de elektrische polen kunnen bestaan als geïsoleerde, onafhankelijke puntjes, die elk een ruimte kleiner dan een vierkante nanometer innemen. Deze ontdekking suggereert een pad naar geheugenapparaten die honderden malen dichter zijn dan wat momenteel beschikbaar is, wat potentieel de manier waarop we gegevens opslaan voor kunstmatige intelligentie en computers van de volgende generatie kan revolutioneren.

De onderzoekers richtten zich op een familie van materialen die bekend staan als perovskieten, die veel worden gebruikt in de elektronica. Specifiek keken ze naar een combinatie van bariumtitanaat, een bekende ferro-elektrische stof, en twee andere vergelijkbare materialen, bariumzirconaat en bariumtinoxide. In hun natuurlijke, bulkvorm gedragen deze materialen zich op een manier die het moeilijk maakt om minuscule, geïsoleerde schakelaars te creëren. De elektrische polen hebben de neiging om uit te spreiden, en de energiekosten om ze binnen een klein puntje te houden zijn te hoog. Om dit op te lossen, heeft het team de materialen niet alleen willekeurig gemengd; ze hebben een specifieke, herhalende structuur geconstrueerd. Ze bouwden een superrooster, wat als een microscopische toren is die bestaat uit afwisselende lagen bariumtitanaat en ofwel bariumzirconaat of bariumtinoxide. De sleutel tot hun succes lag in het rangschikken van deze lagen in een kolomvormige wijze, waarbij de atomen in een precieze, schaakbordachtige volgorde binnen het vlak van het materiaal stapelen.

Deze specifieke ordening veroorzaakte een verrassende verandering in de manier waarop de atomen trillen. In de natuurkunde bepaalt de manier waarop atomen trillen hoe stabiel de elektrische staat van een materiaal is. In de meeste materialen verspreiden deze trillingen zich, wat het moeilijk maakt om een enkele schakelaar te isoleren. Echter, in de door de onderzoekers geconstrueerde kolommen werden de trillingen "vlak". Deze vlakheid betekent dat de energie die nodig is om een elektrische pool om te keren niet verandert of de pool alleen is of naast een andere omgekeerde pool ligt. Het is alsof het materiaal zo is afgestemd dat elk minuscuul puntje zijn elektrische richting onafhankelijk kan omdraaien, zonder de aantrekkingskracht van zijn buren te voelen. Dit fenomeen, bekend als een vlakke polaire band, stelt het materiaal in staat om elektrische domeinen te ondersteunen die ongelooflijk klein en stabiel zijn.

De simulaties uitgevoerd door de onderzoekers laten zien dat deze minuscule domeinen zijn ingeperkt tot een kwart van een enkele eenheidscel, de basisbouwsteen van het kristal. Dit gebied is ongeveer 0,31 vierkante nanometer voor de bariumzirconaat-versie en 0,33 vierkante nanometer voor de bariumtinoxide-versie. Omdat de elektrische polen zo gelokaliseerd zijn en niet sterk met elkaar interageren, kunnen ze individueel aan en uit worden geschakeld. Het team berekende dat als je deze schakelaars zo dicht mogelijk op elkaar zou pakken, je meer dan 300 terabits aan gegevens in een enkele vierkante centimeter zou kunnen passen. Om dit in perspectief te plaatsen: een standaard harde schijf vandaag de dag kan een paar terabits bevatten in een veel grotere ruimte. Dit nieuwe materiaal zou theoretisch honderden malen meer informatie kunnen opslaan in hetzelfde oppervlak.

Een ander cruciaal bevinding is dat deze minuscule schakelaars kunnen worden omgezet met zeer lage voltages. De energiebarrière die nodig is om een enkele dipool om te keren is extreem klein, vergelijkbaar met de energie die nodig is om een veel groter, standaard blok materiaal om te keren. Dit betekent dat hoewel de geheugendichtheid ultrahoog is, het energieverbruik laag blijft, wat essentieel is voor draagbare apparaten en energiezuinige computing. De onderzoekers vonden ook dat het materiaal stabiel is. De specifieke elektrische staat die zij creëerden is geen vluchtige, onstabiele conditie; het is een grondtoestand, wat betekent dat het de meest natuurlijke, laagste-energie vorm is die het materiaal kan aannemen. Deze stabiliteit suggereert dat het materiaal in een laboratorium kan worden gekweekt en gebruikt kan worden in echte apparaten zonder uit elkaar te vallen of terug te keren naar een andere staat.

Het team onderzocht hoe dit materiaal in de echte wereld gemaakt kan worden. Ze vonden dat de kolomstructuur die zij ontwierpen een concurrerende grondtoestand is, wat betekent dat het net zo stabiel is als andere mogelijke arrangementen van dezelfde atomen. Dit maakt het haalbaar om het materiaal te kweken met standaardtechnieken, ofwel als een vrijstaand kristal, ofwel als een dunne film gegroeid op een substraat zoals magnesiumoxide. De onderzoekers merkten op dat de roosterstructuur van hun materiaal goed overeenkomt met magnesiumoxide, een veelgebruikte basis voor het kweken van dunne films. Deze compatibiliteit suggereert dat het materiaal geïntegreerd kan worden in bestaande productieprocessen. Bovendien toonden zij aan dat de elektrische eigenschappen robuust blijven, zelfs wanneer het materiaal als een dunne film is gegroeid, wat aangeeft dat de unieke vlakke-band-eigenschap niet verloren gaat tijdens het productieproces.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het opslaan van meer gegevens. Het vermogen om onafhankelijke, schakelbare dipolen in een tweedimensionaal vlak te creëren, opent de deur naar een nieuwe klasse van geheugenapparaten. Omdat elke schakelaar geïsoleerd is, kan deze individueel worden aangesproken, wat complexe, multi-level opslag mogelijk maakt waarbij een enkel punt meer vasthoudt dan alleen een eenvoudige "aan" of "uit" staat. De onderzoekers benadrukten ook dat de stabiliteit en het lage schakelvoltage van het materiaal het een sterke kandidaat maken voor neuromorfische computing, een veld dat ernaar streeft om computers te bouwen die de efficiëntie van het menselijk brein nabootsen. In deze systemen is het vermogen om minuscule, onafhankelijke eenheden met lage energie te schakelen cruciaal voor het creëren van kunstmatige neuronen en synapsen.

Hoewel de resultaten momenteel gebaseerd zijn op computersimulaties, zijn de fysieke principes erachter solide en is het materiaalsysteem een dat gesynthetiseerd kan worden. De onderzoekers hebben een duidelijk pad geïdentificeerd van het theoretische ontwerp naar de experimentele realisatie. Door de kolomvormige ordening van bariumtitanaat en bariumzirconaat of tinoxide te gebruiken, hebben zij een manier aangetoond om het energielandschap van ferro-elektrische materialen af te vlakken. Deze afvlakking verwijdert de barrière die historisch gezien de creatie van sub-nanometer domeinen heeft voorkomen. De ontdekking biedt niet alleen een incrementele verbetering; het biedt een fundamenteel nieuw mechanisme voor het controleren van elektrische polarisatie op atomaire schaal. Als deze simulaties in het lab worden bevestigd, zou het resultaat een dramatische sprong in geheugentechnologie kunnen betekend, wat apparaten mogelijk maakt die niet alleen dichter zijn, maar ook energie-efficiënter en in staat zijn om de enorme datalasten van de toekomst aan te kunnen.