Quando due monostrati di WTe2 sono impilati in un doppio strato, appare una polarizzazione elettrica spontanea, uno strato si carica positivamente e l'altro si carica negativamente. Questa polarizzazione può essere capovolta applicando un campo elettrico. Attestazione:Joshua Kahn
Il pubblico in generale potrebbe pensare al 21° secolo come a un'era di piattaforme tecnologiche rivoluzionarie, come smartphone o social media. Ma per molti scienziati, questo secolo è l'era di un altro tipo di piattaforma:materiali bidimensionali, e i loro segreti inaspettati.
Questi materiali 2-D possono essere preparati in fogli cristallini sottili come un singolo monostrato, solo uno o pochi atomi di spessore. All'interno di un monostrato, gli elettroni sono limitati nel modo in cui possono muoversi:come i pezzi di un gioco da tavolo, possono andare avanti e indietro, da un lato all'altro o in diagonale, ma non in alto o in basso. Questo vincolo rende i monostrati funzionalmente bidimensionali.
Il regno 2-D espone le proprietà previste dalla meccanica quantistica, le regole basate sulle onde di probabilità che sono alla base del comportamento di tutta la materia. Da quando il grafene, il primo monostrato, ha debuttato nel 2004, gli scienziati hanno isolato molti altri materiali 2-D e hanno dimostrato che possiedono proprietà fisiche e chimiche uniche che potrebbero rivoluzionare l'informatica e le telecomunicazioni, tra gli altri campi.
Per un team guidato da scienziati dell'Università di Washington, la forma 2-D di un composto metallico-ditelluride di tungsteno, o WTe 2 -è uno stuolo di rivelazioni quantistiche. In un articolo pubblicato online il 23 luglio sulla rivista Natura , i ricercatori segnalano la loro ultima scoperta su WTe 2 :La sua forma 2-D può subire una "commutazione ferroelettrica". Hanno scoperto che quando due monostrati sono combinati, il risultante "doppio strato" sviluppa una polarizzazione elettrica spontanea. Questa polarizzazione può essere capovolta tra due stati opposti da un campo elettrico applicato.
"Trovare la commutazione ferroelettrica in questo materiale 2-D è stata una completa sorpresa, ", ha affermato l'autore senior David Cobden, un professore di fisica UW. "Non lo stavamo cercando, ma abbiamo visto un comportamento strano, e dopo aver formulato un'ipotesi sulla sua natura abbiamo progettato alcuni esperimenti che l'hanno confermata egregiamente".
I materiali con proprietà ferroelettriche possono avere applicazioni nella memoria, condensatori, Tecnologie per carte RFID e persino sensori medici.
"Pensa ai ferroelettrici come all'interruttore della natura, " ha detto Cobden. "Lo stato polarizzato del materiale ferroelettrico significa che hai una distribuzione non uniforme delle cariche all'interno del materiale e quando si verifica la commutazione ferroelettrica, le accuse si muovono collettivamente, piuttosto come farebbero in un interruttore elettronico artificiale basato su transistor."
Il team UW ha creato WTe 2 monostrati dalla sua forma cristallina 3-D, che è stato coltivato dai coautori Jiaqiang Yan presso l'Oak Ridge National Laboratory e Zhiying Zhao presso l'Università del Tennessee, Knoxville. Poi il team UW, lavorando in una scatola di isolamento senza ossigeno per prevenire WTe 2 dal degradare, utilizzato Scotch Tape per esfoliare sottili fogli di WTe 2 dal cristallo, una tecnica ampiamente utilizzata per isolare il grafene e altri materiali 2-D. Con questi fogli isolati, potevano misurare le loro proprietà fisiche e chimiche, che ha portato alla scoperta delle caratteristiche ferroelettriche.
WTe 2 è il primo materiale 2-D esfoliato noto per essere sottoposto a commutazione ferroelettrica. Prima di questa scoperta, gli scienziati avevano visto solo la commutazione ferroelettrica negli isolanti elettrici. Ma WTe 2 non è un isolante elettrico; in realtà è un metallo, anche se non molto buono. WTe 2 mantiene anche la commutazione ferroelettrica a temperatura ambiente, e la sua commutazione è affidabile e non si degrada nel tempo, a differenza di molti materiali ferroelettrici 3-D convenzionali, secondo Cobden. Queste caratteristiche possono rendere WTe 2 un materiale promettente per i più piccoli, applicazioni tecnologiche più robuste rispetto ad altri composti ferroelettrici.
"La combinazione unica di caratteristiche fisiche che abbiamo visto in WTe 2 è un promemoria che tutti i tipi di nuovi fenomeni possono essere osservati nei materiali 2-D, " disse Cobden.
La commutazione ferroelettrica è la seconda grande scoperta che Cobden e il suo team hanno fatto sul WTe . monostrato 2 . In un articolo del 2017 in Fisica della natura , il team ha riferito che questo materiale è anche un "isolante topologico, " il primo materiale 2-D con questa proprietà esotica.
In un isolante topologico, le funzioni d'onda degli elettroni - riassunti matematici dei loro stati quantomeccanici - hanno una sorta di torsione incorporata. Grazie alla difficoltà di rimuovere questa torsione, gli isolanti topologici potrebbero avere applicazioni nell'informatica quantistica, un campo che cerca di sfruttare le proprietà quantomeccaniche degli elettroni, atomi o cristalli per generare potenza di calcolo esponenzialmente più veloce della tecnologia odierna. La scoperta del team UW derivava anche dalle teorie sviluppate da David J. Thouless, un professore emerito di fisica della UW che ha condiviso il Premio Nobel 2016 per la fisica in parte per il suo lavoro sulla topologia nel regno 2-D.
Cobden e i suoi colleghi intendono continuare a esplorare il monostrato WTe 2 per vedere cos'altro possono imparare.
"Tutto ciò che abbiamo misurato finora sul WTe 2 ha qualche sorpresa in sé, " ha detto Cobden. "È emozionante pensare a cosa potremmo trovare dopo".
