Por que alguns materiais ferroelétricos exibem padrões em forma de bolha, enquanto outros exibem padrões complexos e labirínticos?
Um estudo FLEET descobriu que a resposta para os padrões de mudança em filmes ferroelétricos está na dinâmica do desequilíbrio, com defeitos topológicos conduzindo a evolução subsequente.
Os materiais ferroelétricos podem ser considerados uma analogia elétrica aos materiais ferromagnéticos, com sua polarização elétrica permanente semelhante aos pólos norte e sul de um ímã.
Compreender a física por trás de suas mudanças de padrão de domínio é crucial para projetar eletrônica ferroelétrica avançada de baixa energia ou computação neuromórfica inspirada no cérebro.
Labirinto vs bolhas: quais padrões revelam
Os padrões de domínio característicos de materiais ferroelétricos de filme fino são fortemente influenciados pelo tipo de materiais e pela configuração do filme (substrato, eletrodo, espessura, estrutura, etc).
“Queríamos entender o que leva ao surgimento de um padrão em vez de outro”, explica a Dra. Qi (Peggy) Zhang (UNSW), um dos três autores principais do estudo.
“Por exemplo: o que leva à formação de padrões de domínio em forma de mosaico, em vez de padrões em forma de labirinto. E por que levaria a uma mudança subsequente para padrões em forma de bolha.”
A equipe de pesquisa estava procurando uma estrutura comum ou um roteiro para conduzir tais arranjos de domínio.
“Existe uma assinatura topológica nesses estados? A topologia deles é evolutiva? E se sim, como? Esses são os tipos de respostas que buscávamos”, diz a Dra. Yousna Nahas (Universidade de Arkansas).
“Descobrimos que a autopadronização dos domínios polares ferroelétricos pode ser compreendida examinando a dinâmica de não equilíbrio, e que uma estrutura comum é a cinética de separação de fases.”
“Também realizamos a caracterização topológica e estudamos a evolução do padrão sob um campo elétrico externo aplicado, o que revelou o papel crucial dos defeitos topológicos na mediação da transformação do padrão.”
“Os resultados deste estudo constroem um roteiro (um diagrama de fases de padrões de domínio polar) para os pesquisadores usarem quando quiserem ‘navegar’ através da pluralidade de fases moduladas em ferroelétricos de baixa dimensão, disse o Dr. Sergei Prokhorenko (Universidade de Arkansas) .
Este estudo é, portanto, interessante em seu próprio campo (física da matéria condensada, ferroelétrica), mas também pode ser relevante para um público interdisciplinar no que diz respeito à universalidade de conceitos e resultados.
O estudo
Os pesquisadores pesquisaram características de domínio e evoluções de domínio de filme fino de Pb (Zr0.4Ti0.6) O3 (ou “PZT ‘) por meio de modelagem extensa e estudo experimental (microscópio de força piezoresposta).
Os pesquisadores descobriram que:
- O controle de campo elétrico da densidade skyrmion provoca condutância histérica, que pode ser aproveitada para computação neuromórfica de estado sólido;
- A ordem topológica de engenharia em sistemas ferroicos pode melhorar as propriedades funcionais baseadas na topologia.
“Topologia e controle de padrões de domínio automontados em ferroelétricos de baixa dimensão” foi publicado na Nature Communications em novembro de 2020.
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