I materiali ultrasottili costituiti da un singolo strato di atomi hanno attirato l'attenzione degli scienziati sin dalla scoperta del primo materiale di questo tipo, il grafene, circa 17 anni fa. Tra gli altri progressi da allora, ricercatori, inclusi quelli di un laboratorio pionieristico del MIT, hanno scoperto che impilando singoli fogli di materiali 2D, e a volte torcendoli con una leggera angolazione l'uno rispetto all'altro, può dare loro nuove proprietà, dalla superconduttività al magnetismo.

Ora i fisici del MIT dello stesso laboratorio e colleghi hanno fatto proprio questo con il nitruro di boro, noto come "grafene bianco" in parte perché ha una struttura atomica simile al suo famoso cugino. Il team ha dimostrato che quando due fogli singoli di nitruro di boro vengono impilati parallelamente l'uno all'altro, il materiale diventa ferroelettrico, in cui le cariche positive e negative nel materiale si dirigono spontaneamente su lati diversi, o poli. Dopo l'applicazione di un campo elettrico esterno, quelle accuse cambiano lato, invertendo la polarizzazione. È importante sottolineare che tutto questo avviene a temperatura ambiente.

Il nuovo materiale, che funziona attraverso un meccanismo completamente diverso dai materiali ferroelettrici esistenti, potrebbe avere molte applicazioni.

"Ampie varietà di proprietà fisiche sono già state scoperte in vari materiali 2D. Ora possiamo facilmente impilare il nitruro di boro ferroelettrico con altre famiglie di materiali per generare proprietà emergenti e nuove funzionalità, " dice Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica e capofila del lavoro, che è stato riportato sulla rivista Science. Jarillo-Herrero è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT.

Oltre a Jarillo-Herrero, ulteriori autori dell'articolo sono Kenji Yasuda, un borsista post-dottorato del MIT; Xirui Wang, uno studente laureato al MIT in fisica, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone.

Potenziali applicazioni

Tra le potenziali applicazioni del nuovo materiale ferroelettrico ultrasottile, "una possibilità entusiasmante è utilizzarlo per una memoria più densa, "dice Yasuda, autore principale del documento Science. Questo perché la commutazione della polarizzazione del materiale potrebbe essere utilizzata per codificare uno e zero - informazioni digitali - e quell'informazione sarà stabile nel tempo. Non cambierà a meno che non venga applicato un campo elettrico. Nel documento Science il team riporta un esperimento di prova del principio che mostra questa stabilità.

Poiché il nuovo materiale ha uno spessore di soli miliardesimi di metro - è uno dei ferroelettrici più sottili mai realizzati - potrebbe anche consentire una memoria del computer molto più densa.

Il team ha inoltre scoperto che la torsione dei fogli paralleli di nitruro di boro con una leggera angolazione l'uno rispetto all'altro ha portato a un altro "tipo completamente nuovo di stato ferroelettrico, " dice Yasuda. Questo approccio generale, noto come twistronico, è stato pioniere del gruppo Jarillo-Herrero, che lo ha utilizzato per ottenere una superconduttività non convenzionale nel grafene.

Nuova fisica

Il nuovo materiale ferroelettrico ultrasottile è anche entusiasmante perché coinvolge una nuova fisica. Il meccanismo alla base del suo funzionamento è completamente diverso da quello dei materiali ferroelettrici convenzionali.

Dice Yasuda, "La commutazione ferroelettrica fuori dal piano avviene attraverso il movimento di scorrimento nel piano tra due fogli di nitruro di boro. Questo accoppiamento unico tra polarizzazione verticale e movimento orizzontale è reso possibile dalla rigidità laterale del nitruro di boro".

Verso altri ferroelettrici

Yasuda osserva che altri nuovi ferroelettrici potrebbero essere prodotti utilizzando la stessa tecnica descritta in Science. "Il nostro metodo per trasformare un materiale di partenza non ferroelettrico in un ferroelettrico ultrasottile si applica ad altri materiali con strutture atomiche simili al nitruro di boro, così possiamo ampliare notevolmente la famiglia dei ferroelettrici. Oggi esistono solo pochi ferroelettrici ultrasottili, " dice. I ricercatori stanno attualmente lavorando a tal fine e hanno ottenuto alcuni risultati promettenti.

Il laboratorio Jarillo-Herrero è un pioniere nella manipolazione e nell'esplorazione di ultrasottili, materiali bidimensionali come il grafene. Tuttavia, la conversione del nitruro di boro ultrasottile in un ferroelettrico è stata inaspettata.

Dice Xirui Wang:

"Ricordo ancora quando stavamo facendo le misurazioni e abbiamo visto un salto insolito nei dati. Abbiamo deciso che avremmo dovuto eseguire di nuovo l'esperimento, e quando lo abbiamo fatto ancora e ancora abbiamo confermato che stava succedendo qualcosa di nuovo".