Elektrische Dipole im Ring

Dipole ändern in bestimmten ferroelektrischen Materialien ihre Orientierung kontinuierlich.

Ferroelektrische Materialien speichern Bits, indem ihre Elementarzellen, ihre kleinsten strukturellen Einheiten, polarisiert werden. Das heißt, ein elektrisches Feld verschiebt die positiv und negativ geladenen Atome leicht gegeneinander, sodass die Elementarzelle leicht verzerrt wird und ein Dipol entsteht. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle haben nun in einem ferroelektrischen Material beobachtet, dass die Dipole kontinuierlich ihre Orientierung ändern und sich daher auch ringförmig anordnen können. Ringförmig angeordnete Dipole könnten es erlauben, Arbeitspeicher deutlich dichter mit Daten zu bepacken als bislang und dennoch schnell zu beschreiben und auszulesen.

Jedem Bit ist in einem ferroelektrischen Speicher ein Bereich – eine Domäne – zugeordnet, wo die Dipole alle gleich ausgerichtet sind. Die Forscher konnten zeigen, dass die Polarisierung unter bestimmten Bedingungen auch in sehr kleinen Domänen noch erhalten bleibt. Festgestellt haben sie das an dem Ferroelektrikum Bleizirkonattitanat (PZT). Die Probe des PZT untersuchten sie mit einem atomar auflösenden Transmissionselektronenmikroskop (TEM), mit dem sie die Positionen von Atomen mit einer Genauigkeit von wenigen Pikometern bestimmen konnten. So ließen sich die Sauerstoff-Atome des PZT lokalisieren, die ansonsten aufgrund ihres schwachen Streusignals kaum zu detektieren sind.

Durch die Bestimmung der Positionen der Sauerstoffatome sowie der Zirkonium- und Titan-Atome ermittelten die Forscher die Orientierung der Dipole in jeder einzelnen von mehr als 250 Elementarzellen. Dort, wo die Domänengrenze auf die einkristalline Strontiumtitanat-Unterschicht stößt, beobachteten die Physiker eine weitere Domäne von nur wenigen Quadratnanometern, in der die Orientierung des Ensembles der Dipole kontinuierlich um insgesamt 180 Grad dreht – eine sogenannte flux-closure-Domäne. Diese sind bisher nur von magnetischen Materialien bekannt. Für ferroelektrische Materialien haben einige Berechnungen sie zwar ebenfalls vorhergesagt, doch ob es sie tatsächlich gibt, war umstritten.

Das lag daran, dass im Gegensatz zur Magnetisierung, bei der sich mit geringem Energieaufwand ihrer Richtung verändern lässt, die Umorientierung der Dipole in Ferroelektrika wesentlich mehr Energie kostet. Das ist liegt daran, dass es dazu einer Verzerrung oder eines Umbau der Elementarzellen bedarf, die Symmetrie des Kristalls muss also gestört werden. Viele Forscher gingen davon aus, dass die Polarisierung in Strukturen von weniger als zehn mal zehn Nanometern zusammenbricht, weil sie zu wenige Dipole enthalten. Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, was die genauen Bedingungen sind, unter denen sich Strukturen mit einer ringförmigen Polarisierung bilden.

Forschungszentrum Jülich / MH