Αυθορμήτως πολώσιμες ετεροδομές - Μια νέα οικογένεια υλικών για μνήμες υπολογιστών

Πρόσφατα, η ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Χρήστου Παναγόπουλου παρουσίασε ένα νέο συναρπαστικό παράδειγμα αναδυόμενων φυσικών ιδιοτήτων σε νανοδομές οξειδίων με ισχυρά συσχετισμένα ηλεκτρόνια, μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications. Συγκεκριμένα, ανακάλυψαν μια εντελώς νέα κατηγορία τεχνητά κατασκευασμένων ετεροδομών που εμφανίζουν αναδυόμενη σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά η οποία μπορεί να μεταβάλλεται υπό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, ένα σημαντικό βήμα προς την αντιμετώπιση της έλλειψης φυσικών μαγνητοηλεκτρικών υλικών.

Σιδηροηλεκτρισμός είναι μια ιδιότητα ενός υλικού το οποίο διαθέτει μία αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση αντιστρέψιμη με την εφαρμογή ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Ετεροδομημένα υλικά συστήματα τα οποία δεν περιέχουν σιδηροηλεκτρικές συνιστώσες αναμένεται να μην εμφανίζουν οργάνωση συσχετισμένη με σιδηροηλεκτρισμό. Σε ετεροδομές που αποτελούνται από οξείδια μετάλλων μετάβασης, ωστόσο, η διαταραχή που εισάγει μια διεπιφάνεια μπορεί να επηρεάσει την ισορροπία των ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ηλεκτρονικών ιδιοπεριστροφών, φορτίων και τροχιακών. Αυτό έχει οδηγήσει στην εμφάνιση αναδυόμενων ιδιοτήτων που απουσιάζουν στις αρχικές δομικές μονάδες μιας ετεροδομής, μεταξύ αυτών εμφάνιση μεταλλικότητας, μαγνητισμού και υπεραγωγιμότητας σε διεπιφάνειες μονωτικών υλικών.

Ο Δρ Κ. Ρογδάκης, μέλος της ομάδας, χρησιμοποίησε ένα συνδυασμό συμπληρωματικών πειραματικών τεχνικών και ανακάλυψε σιδηροηλεκτρισμό σε τεχνητά κατασκευασμένες υπερδομές αποτελούμενες από τρία διαφορετικά αλλά μη σιδηροηλεκτρικά στρώματα. Ακριβέστερα, παρασκευάστηκαν ετεροδομές λεπτών υμενίων (απεικονίζεται στην εικόνα στα αριστερά) με βάση εναλλασόμενες στίβες που αποτελούνται από τρία διαφορετικά υλικά (δηλαδή, LaMnO₃, SrMnO₃, NdMnO₃) εναποθετημένες σε ένα υπόστρωμα (SrTiO₃) με ακρίβεια σε επίπεδο ατόμου. Μεγάλο ενδιαφέρον προκαλεί το γεγονός ότι οι υπερδομές παρουσιάζουν νέες, αναδυόμενες ιδιότητες σε σύγκριση με τα συστατικά υλικά τους. Σιδηροηλεκτρισμός παρατηρήθηκε σε θερμοκρασία κάτω από 40Κ με ισχυρή εξάρτηση από την περιοδικότητα της υπερδομής (απεικονίζεται στην εικόνα επάνω δεξιά). Επιπλέον, η μαγνητοηλεκτρική σύζευξη οδήγησε σε 150% μεταβολή της ηλεκτρικής πόλωσης με την επιβολή μαγνητικού πεδίου (απεικονίζεται στην εικόνα κάτω δεξιά). Ο μαγνητικός έλεγχος της ηλεκτρικής πόλωσης είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον φαινόμενο λόγω των πιθανών εφαρμογών σε υπερυψηλής πυκνότητας αποθήκευση δεδομένων που βασίζονται σε μικρά μαγνητικά bits ή ακόμη και να μελετηθούν μνήμες πολλαπλών καταστάσεων, όπου τα δεδομένα είναι αποθηκευμένα τόσο στην ηλεκτρική όσο και στη μαγνητική πόλωση.

Επιπλέον, στην ίδια μελέτη πραγματοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί πρώτων αρχών, οι οποίοι υπέδειξαν ότι η σπασμένη συμμετρία αντιστροφής χώρου και το μικτό ηλεκτρονιακό σθένος κοντά στις διεπιφάνειες, λόγω της ασυμμετρίας των κατιόντων και της διεπιφανειακής πολικής ασυνέχειας της δομής, αντίστοιχα, προκαλεί την παρατηρούμενη συμπεριφορά. Ειδικότερα, η κατανόηση του μικροσκοπικού μηχανισμού της συμπεριφοράς επιτρέπει το σχεδιασμό πολλών περισσοτέρων υλικών με ακόμη καλύτερη λειτουργικότητα.

Ενσωματώνοντας συστήματα με ρυθμιζόμενη σιδηροηλεκτρική και μαγνητοηλεκτρική συμπεριφορά σε σύνθετες ηλεκτρικές συσκευές αποτελούμενες από υλικά εύκολα παρασκευάσιμα με συνθετική χημεία θα διευρυνθεί πάρα πολύ το εύρος εφαρμογών της ηλεκτρικής πόλωσης. Με την επιλογή κατάλληλων αλλά ταυτόχρονα άφθονων πρώτων υλών μπορεί κανείς να σχεδιάσει τώρα μια πληθώρα χαμηλών διαστάσεων ετεροδομών έχοντας την επιθυμητή σχετική διάταξη στρωμάτων οξειδίων, με πιθανή χρησιμότητα στην παρασκευή μικροσκοπικών βαλβίδων με ηλεκτρικά και μαγνητικά συντονισμένες λειτουργίες, οι οποίες υπόσχονται να θέσουν νέα πρότυπα στις ηλεκτρονικές διατάξεις του μέλλοντος

Επιστημονικό άρθρο: "Tunable ferroelectricity in artificial tri-layer superlattices comprised of non-ferroic components", by K. Rogdakis, J.W. Seo, Z. Viskadourakis, Y. Wang, L.F.N. Ah Qune, E. Choi, J. D. Burton, E. Y. Tsymbal, J. Lee, and C. Panagopoulos, Nature Communications 3:1064, Doi:10.1038/ncomms2061 (2012).