下一代技术，如尖端的记忆存储解决方案和受大脑启发的神经形态计算系统，几乎可以触及我们生活的方方面面——从我们日常使用的小工具到应对重大全球挑战的解决方案。这些进步依赖于特殊材料，包括具有可切换电性能的铁电材料，可以提高性能和能源效率。
由美国能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的一个研究小组开发了一种新技术，用于在铁电体中创建精确的原子排列，为推进强大的新技术建立了一个强大的框架。这篇论文发表在《自然纳米技术》杂志上。
ORNL的Marti Checa是该项目的首席研究员，他说:“形成这些材料的原子和电偶极子的局部修饰对于新的信息存储、替代计算方法或高频信号转换设备至关重要。”“我们的方法通过促进原子取向按需重新排列成可能不会自然发生的拓扑极化结构的特定配置来促进创新。”
在这种情况下，极化是指材料中被称为铁电偶极子的小的内部永久电场的方向。
为了创建可以根据需要激活的复杂结构，该团队的技术使用了一种功能类似超细铅笔的电子笔。这种触控笔可以毫不费力地改变铁电体中的电偶极子，将它们定向在选定的方向上，就像孩子们在磁性绘图板上作画一样。
就像城市的布局塑造了人们在城市中穿行的方式一样，设计的拓扑结构赋予了材料独特的属性。触控笔为创造具有定制特性的材料提供了令人兴奋的机会，这些材料非常适合低功耗纳米电子学和6G时代必不可少的高速宽带通信。
从5G标准过渡到第六代移动通信技术将涉及通信网络设计和使用方面的重大进步和变革。宽带和计算技术是错综复杂地联系在一起的，彼此都能提高对方的性能。因此，创新材料将在扩大计算可能性方面发挥至关重要的作用。
今天的经典计算机用一种简单的“是”和“不是”的语言交流，用1和0表示。这种二元系统依赖于通过微小电路的电流。然而，由于写入和读取数据的需求，这种双重选择框架是有限的和能源密集型的。
相比之下，拓扑极化结构可以快速有效地改变其极化状态，为开关提供高稳定性和低能耗。这种极化的快速变化提高了铁电体的价值，提高了各种器件的速度、效率和通用性。此外，它们允许在没有电源的情况下保存数据，为开发高密度、节能的计算系统铺平了道路。
科学家们正在探索能够更快地处理信息的材料，以满足6g时代宽带通信的要求。由于固有的亚太赫兹共振，这些结构也可以用于在高频下工作的设备，这是材料或系统在低于1太赫兹- 1万亿赫兹的频率下发生的自然振荡或振动。
这样的进步可以显著提高未来计算系统的处理能力和效率，使它们能够解决更复杂的问题，并以更大的适应性和更快的速度执行任务，这是传统计算机难以实现的。
最后，这些结构允许精确控制电子和光学特性，因此可以用于可调谐光电器件。铁电材料具有独特的电学、机械和热性能，非常适合用于神经形态计算和其他新技术。
ornl领导的研究揭示了一种先进的铁电陶瓷材料(通常称为PSTO)是如何在电子触笔的引导下，在多步骤过程中切换其极化的。PSTO，即钛酸铅锶，主要由铅、锶、钛和氧组成。
一个叫做尾随场的概念通常被用来解释为什么铁电体会对沿着表面移动的电场做出反应，在材料的平面上重新定位它们微小的电偶极子(小的正电荷和负电荷)。
然而，研究小组提出了一种替代方案，即存在一种中间的面外状态，以描述材料从一种极化状态过渡到另一种极化状态时发生的相。当铁电材料薄层的极化发生变化时，当电场的垂直部分暂时将电偶极子定向到表面平面外时，就会发生极化方向的短暂移动。
科学家们对中间面外态的洞见使超域结构的精确、按需操纵成为可能。超畴结构是铁电材料(如PSTO)中微小区域的大规模模式，每个区域都具有不同的电偶极子排列。超畴结构非常重要，因为它们通过影响材料的整体行为和性能来影响材料在各种应用中的表现。
这项研究还展示了检测弹性和静电能量之间微妙平衡的能力。铁电体具有机械(弹性)和电(静电)能量相互作用，它们相互影响。例如，改变铁电体的形状会影响其电性能，反之亦然。研究这种平衡有助于研究人员了解如何更精确地控制材料的行为。
此外，研究人员还探索了令人沮丧的超边界的适应性，即材料中具有不同电性能的不同区域相遇的区域。由于相互冲突的力量或约束，这些边界不容易对齐或调整以最大限度地减少能量消耗，因此在自然界中很少发生。然而，按需创建新的拓扑极化结构使研究人员能够稳定这些受挫的超边界并研究它们的奇异性质。
通过整合从相关显微镜技术收集的铁电材料的结构和功能数据，研究人员创建了详细的相场模型，预测材料在各种条件下的行为。这种能力有助于理解和优化材料的稳定性和极化。
“我们的项目开发了先进的方法，可以在纳米尺度上精确地绘制材料的图案，”切卡说。
“通过将专门设计的电笔尖端运动与自动化实验装置相结合，我们已经展示了探索以前无法获得的铁电材料的新状态和复杂状态的能力。这一成就的一个关键方面是，它可以更好地理解和控制这些材料的独特性能。”
