KaiST的研究人员与多个机构合作，实验证实了铁电纳米颗粒内部的三维涡状极化分布。利用原子电子断层扫描，他们绘制了钛酸钡纳米粒子的原子位置，并计算了内部极化分布。这一发现证实了20年前的理论预测，并具有开发超高密度存储设备的潜力。

　　kaist领导的研究小组已经成功地进行了演示阐述了内部三维结构铁电纳米颗粒中的Nal极化分布，为先进的存储设备铺平了道路，这些设备能够存储比当前技术多10000倍的数据。

　　不需要外部磁场而保持独立磁化的材料被称为铁磁体。同样，铁电体可以在没有任何外部电场的情况下自行保持极化状态，相当于铁磁体的电学等效。

　　众所周知，当铁磁体缩小到纳米尺寸低于一定阈值时，就会失去磁性。当铁电体同样在各个方向上都做得非常小(即，成零维结构，如纳米颗粒)会发生什么，这一直是一个有争议的话题。

　　韩国科学技术院物理系杨永洙博士领导的研究小组通过与浦项工科大学、首尔大学、KBSI、LBNL和阿肯色大学的国际合作研究，首次通过实验阐明了铁电纳米颗粒内部的三维涡状极化分布。

　　大约20年前，Laurent Bellaiche教授(目前在阿肯色大学)和他的同事从理论上预测，铁电纳米点内部可能会出现一种独特的极化分布形式，以环形漩涡的形式排列。他们还表示，如果能适当地控制这种涡流分布，可以应用于比现有存储器容量大1万倍以上的超高密度存储器。然而，由于难以测量铁电纳米结构内的三维极化分布，实验尚未得到澄清。

　　电子断层扫描的先进技术

　　韩国科学技术院(KAIST)的研究小组通过实施一种名为原子电子断层扫描的技术，成功地解决了这个长达20年的挑战。这项技术的工作原理是，从多个倾斜角度获取纳米材料的原子分辨率透射电子显微镜图像，然后使用先进的重建算法将它们重建成三维结构。电子断层扫描基本上可以理解为与医院中使用的CT扫描相同的方法，以三维方式查看内部器官;KAIST团队利用单原子水平的电子显微镜，对纳米材料进行了独特的改造。

　　BaTiO3纳米粒子的三维极化分布(左)电子断层扫描技术示意图，该技术包括获取多个倾斜角度的透射电子显微镜图像并将其重建为三维原子结构。(中)通过原子电子断层扫描实验确定了BaTiO3纳米颗粒内部的三维极化分布。底部(蓝点)附近有一个漩涡状结构清晰可见。(右)偏振分布的二维横截面，在漩涡中心被切成薄片，颜色和箭头一起指示偏振方向。可以观察到明显的涡旋结构。

　　利用原子电子断层扫描，研究小组在三维空间上完全测量了钛酸钡(BaTiO3)纳米颗粒(一种众所周知的铁电材料)内阳离子原子的位置。从精确确定的三维原子排列，他们能够进一步计算内部的三维偏振分布在单原子水平。对极化分布的分析首次在实验上揭示了拓扑极化顺序，包括涡旋、反涡旋、天旋子和布洛赫点，出现在0维铁电体内部，正如20年前理论上预测的那样。此外，还发现内部旋涡的数量可以根据其大小进行控制。

　　Sergey Prosandeev教授和Bellaiche教授(他们在20年前与其他同事在理论上提出了极地涡旋排序)加入了这次合作，并进一步证明了实验得到的涡旋分布结果与理论计算相一致。通过控制这些极化分布的数量和方向，有望将其应用于下一代高密度存储器中，在相同尺寸的器件中存储的信息量是现有器件的1万倍以上。

　　领导这项研究的杨博士解释了结果的意义:“这一结果表明，单独控制铁电体的大小和形状，而不需要调整衬底或周围环境的影响，如外延应变，可以在纳米尺度上操纵铁电漩涡或其他拓扑秩序。进一步的研究可以应用于下一代超高密度存储器的开发。”

　　参考文献:“揭示纳米颗粒中极性拓扑的三维排列”，作者:Chaehwa Jeong, Juhyeok Lee, Hyesung Jo, Jaewhan Oh, Hionsuck Baik, Kyoung-June Go, Junwoo Son, Si-Young Choi, Sergey Prosandeev, Laurent Bellaiche和Yongsoo Yang, 2024年5月8日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 48082 - x

　　该研究主要由韩国政府(MSIT)资助的韩国国家研究基金会(NRF)资助。