动态可视化揭示了铁电体中畴壁的移动方式

随着对能源密集型计算需求的增长，能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种新技术，让科学家们以前所未有的细节看到界面如何在有前景的计算和其他应用材料中移动。该方法现在可供ORNL纳米材料科学中心的用户使用，可以帮助设计出更节能的技术。

这项研究发表在《小方法》杂志上。

如今，数据中心消耗的能源与小城市一样多，而且使用量正在飙升。为了应对这一趋势，科学家们正在研究铁电体等奇特材料，这些材料可以比传统上使用的硅更有效地存储和处理信息。但实现这一潜力取决于理解在比人类头发小数千倍的尺寸下发生的过程，特别是在铁电材料的畴壁上，畴壁是材料中表现出不同磁性或电性的区域之间的边界。

ORNL的Neus Domingo说：“域壁可以与它们分隔的相邻域具有完全不同的属性。”。“尽管块状材料是不导电的，但有些可能会导电，而另一些尽管周围材料是非磁性的，但会表现出磁性。这些差异很重要，因为它们可能使我们能够将它们用作新的纳米电子元件，以最小的尺度存储和处理信号，这是开发下一代低功耗设备（如存储芯片和传感器）的关键。”

研究人员公布了一项新技术，该技术可以捕捉到畴壁在快速波动的电场下如何移动的详细视图。如论文所述，这项名为扫描振荡器压电响应力显微镜的技术揭示了这些边界的缓慢和突然运动，为极小尺度的能量管理提供了新的见解。

在没有这种新技术的情况下理解和控制这种域墙的行为，就像试图从两个静止镜头指导一场足球比赛：一个显示四分卫在拍摄前排好队，另一个捕捉比赛结束后的瞬间。如果不知道中间的事件，就很难知道这场比赛是跑动还是传球，哪些球员是关键的，或者是什么努力导致了结果。改善球队的比赛方式需要能够看到所有的动作。

ORNL的Stephen Jesse说：“该方法通过创建动态可视化来填补关键空白，使科学家能够观察畴壁如何移动，并更好地估计移动它们所需的能量。它将静态快照转化为生动的解释序列。”。

“使用精确计时的测量和控制电子设备，我们可以快速系统地改变铁电材料的状态，并观察变化如何随时间演变。到目前为止，原子力显微镜还没有达到这种细节水平，该方法可以适用于电子显微镜和其他先进仪器。”

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该技术捕捉到域壁对环境变化（如电信号或机械信号）的微小重复运动，以及当壁短暂卡住然后突然移动时发生的突然的走走停停运动，就像门在打开之前卡住一样。

这些运动模式，无论是平滑的还是颠簸的，都揭示了铁电极化在材料内部是如何改变的。铁电极化是某些材料中电荷的自然排列，可以通过外部电场改变，这种能力对于存储和传感器等应用至关重要。

研究人员旨在进一步完善这项技术，以研究其他材料，并与行业合作伙伴合作探索潜在的商业应用。p