下一代技术，例如尖端的内存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解决全球重大挑战的解决方案。这些进步依赖于特殊材料，包括铁电材料——具有可切换电特性的材料，可提高性能和能源效率。

由美国能源部橡树岭国家实验室科学家领导的研究小组开发出一种在铁电体中创建精确原子排列的新技术，为推进强大的新技术建立了一个强大的框架。该论文发表在《自然纳米技术》杂志上。

“局部修改构成这些材料的原子和电偶极子对于新的信息存储、替代计算方法或高频信号转换设备至关重要，”ORNL的MartiCheca说道，他是该项目的首席研究员。“我们的方法通过促进原子取向按需重新排列成特定配置(称为拓扑极化结构，这种结构可能不会自然发生)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型内部永久电场的方向。

为了创建可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于超细铅笔的电笔。电笔可以毫不费力地改变铁电体中的电偶极子，只需将其定向到选定的方向即可，就像孩子们在磁性画板上画图一样。

正如城市的布局决定了人们的出行方式，设计的拓扑结构赋予材料独特的属性。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器件和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的重大进步和变革。宽带和计算技术错综复杂地联系在一起，相互增强。因此，创新材料将在拓宽计算可能性方面发挥关键作用。

即将到来的纳米电子进展

如今的传统计算机使用简单的“是”和“否”语言进行通信，用1和0表示。这种二进制系统依赖于电流通过微小电路。然而，由于写入和读取数据的需求，这种双重选择框架具有局限性且耗能大。

相比之下，拓扑极化结构可以快速有效地改变其极化状态，从而提供高稳定性和低切换能耗。这种极化的快速变化提高了铁电体的价值，提高了各种设备的速度、效率和多功能性。此外，它们允许在无电的情况下保留数据，为开发度、节能的计算系统铺平了道路。

科学家们正在探索能够更快处理信息的材料，以满足6G时代宽带通信的要求。这些结构还可以用于高频运行的设备，这要归功于固有的亚太赫兹共振，即材料或系统内部在低于1太赫兹(1万亿赫兹)的频率下发生的自然振荡或振动。

这种进步可以显著提高未来计算系统的处理能力和效率，使其能够解决更复杂的问题，并以更高的适应性和速度执行任务——这是传统计算机难以实现的功能。

最后，这些结构可以精确控制电子和光学特性，因此可用于可调光电设备。独特的电气、机械和热特性组合使铁电体非常适合神经形态计算和其他新技术。

快速极化转变，超域动力学

ORNL领导的研究揭示了一种先进的铁电陶瓷材料(俗称PSTO)如何在电触针的引导下，通过多步过程改变其极化。PSTO或钛酸锶铅，元素由铅、锶、钛和氧组成。

一个称为尾随场的概念通常用于解释为什么铁电体会响应沿表面移动的电场，在材料平面上重新调整其微小的电偶极子(小的正电荷和负电荷)。

然而，研究小组提出了另一种替代方法，即存在一种中间平面外状态来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阶段。当薄层铁电材料的极化发生变化时，电场的垂直部分会暂时将电偶极子定向到表面平面之外，从而发生此阶段的极化方向短暂偏移。

科学家们对中间平面外状态的洞察使得能够精确、按需操纵超畴结构。超畴结构是铁电材料(如PSTO)内微小区域的大规模图案，每个区域都有不同的电偶极子排列。超畴结构很重要，因为它们通过影响材料的整体行为和特性来影响材料在各种应用中的表现。

这项研究还展示了研究弹性能和静电能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，研究人员还探索了受挫超边界的适应性——材料中具有不同电特性的不同区域相遇的区域。由于相互冲突的力或约束，这些边界无法轻易对齐或调整以最大限度地降低能量消耗，因此在自然界中很少出现。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超边界并研究其奇异性质。

纳米级精度的预测和控制

通过整合从相关显微镜技术收集的有关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，可以预测材料在不同条件下的行为。此功能有助于理解和优化材料的稳定性和极化。

“我们的项目已经开发出先进的方法，可以在纳米尺度上精确地对材料进行图案化，”Checa说道。

“通过将专门设计的电动触针尖端运动与自动化实验装置相结合，我们展示了探索以前无法获得的铁电材料新复杂状态的能力。这一成就的一个关键方面是它使我们能够更好地理解和控制这些材料的独特性质。”