В Национальной Лаборатории Беркли (Berkeley Lab) ученые впервые наблюдали так называемые, полярные вихри — вращающиеся топологии электрической поляризации, аналогичные дискретным вихрям магнетизма, скирмионам. Если эти вращающиеся в ферроэлектрике структуры действительно окажутся электрическими скирмионами, существование которых теоретики предсказали более десяти лет назад, они смогут найти применение в ультракомпактных устройствах для обработки и хранения данных и «изменят само понимание основ ферроэлектичества», как заявил один из участников эксперимента.

Статья, в которой в подробностях описывается это исследование, была опубликована в журнале Nature.

Группа сотрудников Berkeley Lab и Калифорнийского университета (UC Berkeley) под руководством Рамамурти Рамеша (Ramamoorthy Ramesh) и Лейна Мартина (Lane Martin) работала с канонической системой, состоящей из сверхтонких слоистых структур титаната стронция и титаната свинца с характерным размером приблизительно 0,4 нм. В образованной таким образом супер-решетке происходила трехсторонняя конкуренция между упругой, электростатической и градиентной энергиями, приводившая к возникновению полярных вихрей.

«Изменяя периодические длины наших супер-решёток мы можем настраивать относительную важность этих трех энергий, — пояснил Мартин. — Хотя уменьшение и увеличение периода супер-решетки может приводить к другим экзотическим эффектам, но нам в этой работе удалось попасть «в яблочко», найдя значение, при котором генерируются полярные вихри, представляющие абсолютно новое явление».

Для наблюдения и измерения полярных вихрей применялось сочетание методов сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (STEM) и рентгеновской дифракции (на синхротронном источнике фотонов Аргоннской Национальной Лаборатории).

«Это только начало изучения полярных вихрей в ферроэлектрических материалах, — утверждает Мартин. — Перед нами обширное поле работ по исследованию и осмыслению процессов возникновения этого нового состояния материи. В частности, мы думаем добавить в аналогичные супер-решетки магнитный спиновый компонент, что в перспективе позволило бы продемонстрировать управление магнетизмом с помощью электрического поля».