I materiali ferroelettrici sono unici nella loro capacità di "ricordare" il loro nuovo stato dopo la rimozione del campo elettrico, il che li rende utili in applicazioni che includono la tecnologia delle celle solari e dispositivi di memoria compatti.

"Negli ultimi anni abbiamo imparato che la geometria quantistica è alla base di una sorprendente gamma di proprietà osservabili dei materiali", ha affermato il dottor Marcel Franz, vicedirettore scientifico presso l'UBC Blusson QMI e professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia. "Questo lavoro aggiunge una nuova importante voce alla crescente lista di fenomeni che possono essere chiariti utilizzando questo affascinante approccio geometrico."

La ferroelettricità è una proprietà che consente ai materiali di avere una polarizzazione elettrica incorporata. I materiali ferroelettrici hanno una polarizzazione commutabile che può essere controllata da un campo elettrico, mentre i materiali ferroelettrici impilabili sono formati assemblando due strati non polari atomicamente sottili che creano polarizzazione attraverso il loro speciale modo di impilamento.

"La parte più interessante della nostra scoperta è che la fisica alla base dell'accumulo di ferroelettricità può, in effetti, essere intesa come una proprietà geometrica", ha affermato il dottor Benjamin Zhou, ricercatore post-dottorato dell'UBC Blusson QMI, autore principale dello studio pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Per stabilire la connessione significativa tra l'impilamento di ferroelettricità e la geometria, abbiamo dovuto passare attraverso un'analisi dettagliata del modello e rigorosi calcoli numerici per diversi tipi di materiali ferroelettrici come i doppi strati a nido d'ape, il doppio strato romboedrico disolfuro di molibdeno (3R-MoS₂ ) e ditelluride di tungsteno a doppio strato (WTe₂ )," ha affermato il dottor Zhou. "I risultati confermano che il nostro approccio geometrico funziona bene per tutti questi materiali."

Fino ad ora, gli scienziati hanno studiato l’impilamento di materiali ferroelettrici in due modi:analisi di simmetria, che determina se il materiale può essere polare, e approcci computazionali che forniscono l’entità della polarizzazione. Tuttavia, questi metodi sono limitati nel descrivere la robustezza della polarizzazione.

Il nuovo approccio quantistico-geometrico consente ai ricercatori di considerare le proprietà di polarizzazione come una caratteristica geometrica del modello, che descrivono utilizzando una rappresentazione visiva di un vettore che si muove su una sfera.

"Per ogni materiale ferroelettrico impilabile, la traiettoria del corrispondente vettore unitario attraverso la sfera è unica, permettendoci di identificare facilmente quanto può essere robusta la polarizzazione e prevedere quali tipi di materiali possono mostrare una forte polarità", ha affermato il dottor Zhou. "Questa scoperta ci fornisce una nuova potente lente per esaminare la fisica alla base dei ferroelettrici."

Lo studio è stato ispirato dal precedente lavoro sperimentale condotto dal ricercatore Blusson QMI Dr. Ziliang Ye, pubblicato su Nature Photonics , dove Zhou e Franz hanno contribuito alla spiegazione teorica. I risultati dimostrati dal gruppo di Ye nel 2022 sono stati tra i primi esperimenti al mondo a ottenere la polarizzazione spontanea ferroelettrica tramite un ordine di impilamento progettato tra gli strati atomici.

"La moderna teoria della polarizzazione spiega i ferroelettrici sfusi utilizzando il concetto di fase Berry che diventa difficile da gestire per impilare i ferroelettrici nel limite 2D. Il nostro approccio geometrico ricollega l'origine della polarizzazione nei ferroelettrici 2D con il concetto di fase Berry", ha affermato Vedangi Pathak, un dottorato di ricerca studente del gruppo di Franz che è stato coautore dello studio.

"Il nostro lavoro fornisce un quadro molto semplice che chiunque abbia un background di fisica può utilizzare nella propria ricerca."