Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Dinamika Ultrasmall, Kelompok Atom Ultracepat Terungkap

Menjelajahi dan memanipulasi perilaku pusaran kutub dalam material dapat mengarah pada teknologi baru untuk transfer dan penyimpanan data yang lebih cepat. Para peneliti menggunakan Sumber Foton Lanjutan di Argonne dan Sumber Cahaya Koheren Linac di SLAC untuk mempelajari lebih lanjut.

Dunia kita yang berkecepatan tinggi dan bandwidth tinggi selalu membutuhkan cara baru untuk memproses dan menyimpan informasi. Semikonduktor dan bahan magnetik telah menjadi bagian terbesar dari perangkat penyimpanan data selama beberapa dekade. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti dan insinyur telah beralih ke bahan feroelektrik, sejenis kristal yang dapat dimanipulasi dengan listrik.

IMAGES
Gambar: aktifisika.files.wordpress.com



Pada tahun 2016, studi tentang feroelektrik menjadi lebih menarik dengan ditemukannya pusaran kutub — pengelompokan atom yang pada dasarnya berbentuk spiral — dalam struktur material. Sekarang tim peneliti yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) telah menemukan wawasan baru tentang perilaku pusaran ini, wawasan yang mungkin merupakan langkah pertama untuk menggunakannya untuk pemrosesan dan penyimpanan data yang cepat dan serbaguna.

Apa yang begitu penting tentang perilaku kelompok atom dalam bahan ini? Untuk satu hal, pusaran kutub ini adalah penemuan baru yang menarik, bahkan ketika mereka hanya duduk diam. Selain itu, penelitian baru ini, yang diterbitkan sebagai cerita sampul di Nature , mengungkapkan bagaimana mereka bergerak. Jenis baru dari gerakan atom berpola spiral ini dapat dibujuk agar terjadi, dan dapat dimanipulasi. Itu kabar baik untuk potensi penggunaan bahan ini dalam pemrosesan data dan perangkat penyimpanan di masa mendatang.

"Meskipun gerakan atom individu saja mungkin tidak terlalu menarik, gerakan ini bergabung bersama untuk menciptakan sesuatu yang baru - contoh dari apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai fenomena yang muncul - yang mungkin memiliki kemampuan yang tidak dapat kita bayangkan sebelumnya," kata Haidan Wen, seorang fisikawan di Divisi Ilmu X-ray Argonne (XSD).

Pusaran ini memang kecil - lebarnya sekitar lima atau enam nanometer, ribuan kali lebih kecil dari lebar rambut manusia, atau sekitar dua kali lebih lebar dari satu untai DNA. Dinamika mereka, bagaimanapun, tidak dapat dilihat di lingkungan laboratorium yang khas. Mereka perlu bersemangat untuk beraksi dengan menerapkan medan listrik ultracepat.

Semua itu membuat mereka sulit untuk diamati dan dikarakterisasi. Wen dan rekannya, John Freeland, fisikawan senior di XSD Argonne, telah menghabiskan waktu bertahun-tahun mempelajari pusaran ini, pertama dengan sinar-X ultra terang dari Sumber Foton Lanjutan (APS) di Argonne, dan yang terbaru dengan kemampuan laser elektron bebas. dari LINAC Coherent Light Source (LCLS) di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE. Baik APS dan LCLS adalah Fasilitas Pengguna Kantor Sains DOE.

Dengan menggunakan APS, para peneliti dapat menggunakan laser untuk menciptakan keadaan materi yang baru dan memperoleh gambaran yang komprehensif tentang strukturnya menggunakan difraksi sinar-X. Pada tahun 2019, tim, yang dipimpin bersama oleh Argonne dan The Pennsylvania State University, melaporkan temuan mereka dalam cerita sampul Nature Materials , terutama bahwa vortisitas dapat dimanipulasi dengan pulsa cahaya. Pengambilan data dilakukan pada beberapa beamline APS: 7-ID-C, 11-ID-D, 33-BM dan 33-ID-C.

"Meskipun keadaan materi baru ini, yang disebut superkristal, tidak ada secara alami, itu dapat dibuat dengan menerangi lapisan tipis yang direkayasa dengan hati-hati dari dua bahan berbeda menggunakan cahaya," kata Venkatraman Gopalan, profesor ilmu material dan teknik dan fisika di Penn. Negara.

“Banyak pekerjaan yang dilakukan untuk mengukur gerakan benda kecil,” kata Freeland. “Pertanyaannya adalah, bagaimana kita melihat fenomena ini dengan sinar-X? Kami dapat melihat bahwa ada sesuatu yang menarik dengan sistem, sesuatu yang mungkin dapat kami karakterisasikan dengan probe skala waktu yang sangat cepat.”

APS mampu mengambil snapshot dari pusaran ini pada skala waktu nanodetik — seratus juta kali lebih cepat daripada yang diperlukan untuk mengedipkan mata Anda — tetapi tim peneliti menemukan ini tidak cukup cepat.

“Kami tahu sesuatu yang menarik pasti terjadi yang tidak dapat kami deteksi,” kata Wen. “Eksperimen APS membantu kami menentukan di mana kami ingin mengukur, pada skala waktu yang lebih cepat yang tidak dapat kami akses di APS. Tetapi LCLS, fasilitas saudara kami di SLAC, menyediakan alat yang tepat yang dibutuhkan untuk memecahkan teka-teki ini.”

Dengan penelitian sebelumnya, Wen dan Freeland bergabung dengan rekan-rekan dari SLAC dan DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) — Gopalan dan Long-Qing Chen dari Pennsylvania State University; Jirka Hlinka, kepala Departemen Dielektrik di Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko; Paul Evans dari Universitas Wisconsin, Madison; dan tim mereka — untuk merancang eksperimen baru yang dapat memberi tahu mereka bagaimana atom-atom ini berperilaku, dan apakah perilaku itu dapat dikendalikan. Menggunakan apa yang mereka pelajari di APS, tim - termasuk penulis utama makalah baru, Qian Li dan Vladimir Stoica, keduanya peneliti pasca-doktoral di APS pada saat pekerjaan ini - melakukan penyelidikan lebih lanjut di LCLS di SLAC.

“LCLS menggunakan sinar X-ray untuk mengambil snapshot dari apa yang dilakukan atom pada rentang waktu yang tidak dapat diakses oleh peralatan sinar-X konvensional,” kata Aaron Lindenberg, profesor ilmu material dan teknik dan ilmu foton di Stanford University dan SLAC. “Hamburan sinar-X dapat memetakan struktur, tetapi dibutuhkan mesin seperti LCLS untuk melihat di mana atom berada dan melacak bagaimana mereka bergerak secara dinamis dengan kecepatan yang tak terbayangkan.”

Dengan menggunakan bahan feroelektrik baru yang dirancang oleh Ramamoorthy Ramesh dan Lane Martin di Berkeley Lab, tim tersebut mampu membangkitkan sekelompok atom ke dalam gerakan berputar-putar dengan medan listrik pada frekuensi terahertz, frekuensi yang kira-kira 1.000 kali lebih cepat daripada prosesor di sel Anda. telepon. Mereka kemudian dapat menangkap gambar putaran tersebut pada rentang waktu femtosecond. Femtosecond adalah sepersejuta detik — itu adalah periode waktu yang sangat singkat sehingga cahaya hanya dapat melakukan perjalanan sepanjang bakteri kecil sebelum berakhir.

Dengan tingkat presisi ini, tim peneliti melihat jenis gerakan baru yang belum pernah mereka lihat sebelumnya.

“Meskipun para ahli teori tertarik pada jenis gerakan ini, sifat dinamis yang tepat dari pusaran kutub tetap samar-samar sampai selesainya percobaan ini,” kata Hlinka. “Temuan eksperimental membantu ahli teori untuk memperbaiki model, memberikan wawasan mikroskopis dalam pengamatan eksperimental. Itu adalah petualangan nyata untuk mengungkapkan tarian atom terpadu semacam ini.”

Penemuan ini membuka serangkaian pertanyaan baru yang akan membutuhkan eksperimen lebih lanjut untuk dijawab, dan peningkatan yang direncanakan dari sumber cahaya APS dan LCLS akan membantu mendorong penelitian ini lebih jauh. LCLS-II, yang sekarang sedang dibangun, akan meningkatkan pulsa sinar-X dari 120 menjadi 1 juta per detik, memungkinkan para ilmuwan untuk melihat dinamika material dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Dan APS Upgrade, yang akan menggantikan cincin penyimpan elektron saat ini dengan model mutakhir yang akan meningkatkan kecerahan sinar-X yang koheren hingga 500 kali, akan memungkinkan peneliti untuk mencitrakan objek kecil seperti pusaran ini dengan resolusi nanometer.

Peneliti sudah dapat melihat kemungkinan penerapan pengetahuan ini. Fakta bahwa bahan-bahan ini dapat disetel dengan menerapkan perubahan kecil membuka berbagai kemungkinan, kata Lindenberg.

"Dari perspektif fundamental, kita melihat jenis materi baru," katanya. “Dari perspektif teknologi penyimpanan informasi, kami ingin memanfaatkan apa yang terjadi pada frekuensi ini untuk teknologi penyimpanan berkecepatan tinggi dan bandwidth tinggi. Saya senang mengendalikan sifat bahan ini, dan eksperimen ini menunjukkan kemungkinan cara melakukan ini dalam arti dinamis, lebih cepat dari yang kami duga.”

Wen dan Freeland setuju, mencatat bahwa materi ini mungkin memiliki aplikasi yang belum terpikirkan oleh siapa pun.

“Anda tidak ingin sesuatu yang melakukan apa yang transistor lakukan, karena kita sudah memiliki transistor,” kata Freeland. “Jadi Anda mencari fenomena baru. Aspek apa yang bisa mereka bawa? Kami mencari objek dengan kecepatan lebih cepat. Inilah yang menginspirasi orang. Bagaimana kita bisa melakukan sesuatu yang berbeda?”

Powered By NagaNews.Net