Rappresentazione artistica della struttura nanoscopica del nuovo materiale ferroelettrico sviluppato da ricercatori e colleghi del MIT. I punti blu e oro rappresentano gli atomi di boro e nitruro in due fogli atomicamente sottili di nitruro di boro. Tra questi fogli ci sono due strati di grafene; i punti biancastri/blu rappresentano gli atomi di carbonio. Le linee verticali dorate che attraversano la figura rappresentano il movimento degli elettroni. Credito:Schema di Ella Maru Studio
Ricercatori e colleghi del MIT hanno scoperto un'importante e inaspettata proprietà elettronica del grafene, un materiale scoperto solo circa 17 anni fa che continua a sorprendere gli scienziati con la sua interessante fisica. Il lavoro, che coinvolge strutture composte da strati atomicamente sottili di materiali che sono anche biocompatibili, potrebbe inaugurare nuovi, paradigmi di elaborazione delle informazioni più veloci. Una potenziale applicazione è nel calcolo neuromorfico, che mira a replicare le cellule neuronali nel corpo responsabili di tutto, dal comportamento ai ricordi.
Il lavoro introduce anche una nuova fisica che i ricercatori sono entusiasti di esplorare.
"Le eterostrutture a base di grafene continuano a produrre sorprese affascinanti. La nostra osservazione della ferroelettricità non convenzionale in questo sistema semplice e ultrasottile sfida molte delle ipotesi prevalenti sui sistemi ferroelettrici e può aprire la strada a un'intera generazione di nuovi materiali ferroelettrici, " dice Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT e capofila del lavoro, che ha comportato una collaborazione con altre cinque facoltà del MIT di tre dipartimenti.
Una nuova proprietà
Il grafene è composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape. Dalla scoperta del materiale, gli scienziati hanno dimostrato che diverse configurazioni degli strati di grafene possono dare origine a una serie di importanti proprietà. Le strutture a base di grafene possono essere superconduttori, che conducono elettricità senza resistenza, o isolanti, che impediscono la circolazione dell'elettricità. È stato anche scoperto che mostrano magnetismo.
Nel lavoro attuale, che è stato segnalato lo scorso dicembre in Natura , i ricercatori e i colleghi del MIT mostrano che il grafene a doppio strato può anche essere ferroelettrico. Ciò significa che le cariche positive e negative nel materiale possono separarsi spontaneamente in diversi strati.
Nella maggior parte dei materiali, cariche opposte sono attratte l'una dall'altra; vogliono unire. Solo l'applicazione di un campo elettrico li costringerà a lati opposti, o poli. In un materiale ferroelettrico, non è necessario alcun campo elettrico esterno per tenere separate le cariche, dando luogo ad una polarizzazione spontanea. Però, l'applicazione di un campo elettrico esterno ha un effetto:un campo elettrico di direzione opposta farà sì che le cariche cambino lato e invertono la polarizzazione.
Zhiren (Isaac) Zheng mostra un campione della nuova struttura ferroelettrica creata da ricercatori e colleghi del MIT (piccolo quadrato nero con bordi dorati sopra la testa di Zheng). La struttura in oro è l'interno di un frigorifero per diluizione senza criogeno che i ricercatori hanno utilizzato per misurare le nuove strutture ferroelettriche. Credito:Sergio de la Barrera, MIT
Per tutti questi motivi, i materiali ferroelettrici sono utilizzati in una varietà di sistemi elettronici, dagli ultrasuoni medici alle carte di identificazione a radiofrequenza (RFID).
Ferroelettrici convenzionali, però, sono isolanti. Il ferroelettrico a base di grafene del team guidato dal MIT opera attraverso un meccanismo completamente diverso, una fisica diversa, che gli consente di condurre elettricità. E questo apre una miriade di applicazioni aggiuntive. "Quello che abbiamo trovato qui è un nuovo tipo di materiale ferroelettrico, " dice Zhiren (Isacco) Zheng, uno studente laureato in fisica del MIT e primo autore del documento Nature.
Qiong Ma, dottorato di ricerca del MIT 2016, un coautore del documento e un assistente professore al Boston College, mette il lavoro in prospettiva. "Ci sono sfide associate ai ferroelettrici convenzionali che le persone hanno lavorato per superare. Ad esempio, la fase ferroelettrica diventa instabile man mano che il dispositivo continua ad essere miniaturizzato. Con il nostro materiale, alcune di queste sfide potrebbero essere risolte automaticamente." Ma ha condotto l'attuale lavoro come associato post-dottorato attraverso il Materials Research Laboratory (MRL) del MIT.
Modelli importanti
La struttura creata dal team è composta da due strati di grafene, un doppio strato, inseriti tra strati atomicamente sottili di nitruro di boro (BN) sopra e sotto. Ogni strato BN ha un'angolazione leggermente diversa dall'altro. Guardando dall'alto, il risultato è un motivo unico chiamato superlattice moiré. Un motivo moiré, a sua volta, "può cambiare drasticamente le proprietà di un materiale, " dice Zheng.
Il gruppo di Jarillo-Herrero ne ha dato un esempio importante nel 2018. In quel lavoro, segnalato anche in Natura , i ricercatori hanno impilato due strati di grafene. Quegli strati, però, non erano esattamente uno sopra l'altro; piuttosto, uno è stato leggermente ruotato di un "angolo magico" di 1,1 gradi. La struttura risultante ha creato un motivo moiré che a sua volta ha permesso al grafene di essere un superconduttore o un isolante a seconda del numero di elettroni nel sistema fornito da un campo elettrico. In sostanza, il team è stato in grado di "sintonizzare il grafene in modo che si comporti a due estremi elettrici, " secondo una notizia del MIT dell'epoca.
"Quindi, creando questa struttura moiré, il grafene non è più grafene. Si trasforma quasi magicamente in qualcosa di molto, molto diverso, "Mà dice.
Nel lavoro attuale, i ricercatori hanno creato un motivo moiré con fogli di grafene e nitruro di boro che ha portato a una nuova forma di ferroelettricità. La fisica coinvolta nel movimento degli elettroni attraverso la struttura è diversa da quella dei ferroelettrici convenzionali.
"La ferroelettricità dimostrata dal gruppo del MIT è affascinante, "dice Philip Kim, Professore di Fisica e Fisica Applicata all'Università di Harvard, che non è stato coinvolto nella ricerca.
"Questo lavoro è la prima dimostrazione che riporta pura ferroelettricità elettronica, che mostra polarizzazione di carica senza movimento ionico nel reticolo sottostante. Questa sorprendente scoperta inviterà sicuramente a ulteriori studi che possono rivelare fenomeni emergenti più interessanti e fornire l'opportunità di utilizzarli per applicazioni di memoria ultraveloci".
I ricercatori mirano a continuare il lavoro non solo dimostrando il potenziale del nuovo materiale per una varietà di applicazioni, ma anche sviluppando una migliore comprensione della sua fisica. "Ci sono ancora molti misteri che non comprendiamo appieno e che sono fondamentalmente molto intriganti, "Mà dice.
