For UW -fysikere, 2-D-formen af ​​wolfram ditellurid er fuld af overraskelser

Den brede offentlighed kunne tænke på det 21. århundrede som en æra med revolutionerende teknologiske platforme, såsom smartphones eller sociale medier. Men for mange forskere, dette århundrede er en æra for en anden type platform:todimensionale materialer, og deres uventede hemmeligheder.

Disse 2-D materialer kan fremstilles i krystallinske plader så tynde som et enkelt enkeltlag, kun et eller få atomer tykke. Inden for et enkeltlag, elektroner er begrænset i, hvordan de kan bevæge sig:Som brikker på et brætspil, de kan bevæge sig bagfra, side til side eller diagonalt - men ikke op eller ned. Denne begrænsning gør monolag funktionelt todimensionale.

2-D-området afslører egenskaber, der forudsiges af kvantemekanik-de sandsynlighedsbølgebaserede regler, der ligger til grund for alt stofs adfærd. Siden grafen - det første enkeltlag - debuterede i 2004, forskere har isoleret mange andre 2-D-materialer og vist, at de rummer unikke fysiske og kemiske egenskaber, der kan revolutionere computing og telekommunikation, blandt andre felter.

For et team ledet af forskere ved University of Washington, 2-D-formen af ​​en metallisk forbindelse-wolfram ditellurid, eller WTe ₂ - er et væld af kvante -afsløringer. I et papir udgivet online 23. juli i tidsskriftet Natur , forskere rapporterer deres seneste opdagelse om WTe ₂ :Dens 2-D-form kan undergå "ferroelektrisk omskiftning". De fandt ud af, at når to monolag kombineres, det resulterende "dobbeltlag" udvikler en spontan elektrisk polarisering. Denne polarisering kan vendes mellem to modsatte tilstande af et anvendt elektrisk felt.

"At finde ferroelektrisk switch i dette 2-D-materiale var en fuldstændig overraskelse, "sagde seniorforfatter David Cobden, en UW -professor i fysik. "Vi ledte ikke efter det, men vi så mærkelig opførsel, og efter at have lavet en hypotese om dens natur designede vi nogle eksperimenter, der bekræftede det pænt. "

Materialer med ferroelektriske egenskaber kan have applikationer i hukommelseslagring, kondensatorer, RFID -kortteknologier og endda medicinske sensorer.

"Tænk på ferroelektrisk som naturens skifte, "sagde Cobden." Det ferroelektriske materiales polariserede tilstand betyder, at du har en ujævn fordeling af ladninger i materialet - og når den ferroelektriske omstilling sker, afgifterne bevæger sig kollektivt, snarere som de ville i en kunstig elektronisk switch baseret på transistorer. "

UW -teamet oprettede WTe ₂ monolag fra dens 3-D krystallinske form, som blev dyrket af medforfattere Jiaqiang Yan ved Oak Ridge National Laboratory og Zhiying Zhao ved University of Tennessee, Knoxville. Derefter UW -teamet, arbejder i en iltfri isoleringsboks for at forhindre WTe ₂ fra nedværdigende, brugte Scotch Tape til at eksfoliere tynde ark WTe ₂ fra krystallen-en teknik, der er meget udbredt til at isolere grafen og andre 2-D-materialer. Med disse ark isoleret, de kunne måle deres fysiske og kemiske egenskaber, hvilket førte til opdagelsen af ​​de ferroelektriske egenskaber.

WTe ₂ er det første eksfolierede 2-D-materiale, der vides at undergå ferroelektrisk omskiftning. Før denne opdagelse, forskere havde kun set ferroelektrisk kobling i elektriske isolatorer. Men WTe ₂ er ikke en elektrisk isolator; det er faktisk et metal, omend ikke en særlig god. WTe ₂ opretholder også den ferroelektriske kobling ved stuetemperatur, og dens skift er pålidelig og nedbrydes ikke over tid, i modsætning til mange konventionelle 3-D ferroelektriske materialer, ifølge Cobden. Disse egenskaber kan gøre WTe ₂ et lovende materiale til mindre, mere robuste teknologiske anvendelser end andre ferroelektriske forbindelser.

"Den unikke kombination af fysiske egenskaber, vi så i WTe ₂ er en påmindelse om, at alle mulige nye fænomener kan observeres i 2-D materialer, "sagde Cobden.

Ferroelektrisk skift er den anden store opdagelse, Cobden og hans team har gjort om monolag WTe ₂ . I et papir fra 2017 i Naturfysik , teamet rapporterede, at dette materiale også er en "topologisk isolator, "det første 2-D-materiale med denne eksotiske egenskab.

I en topologisk isolator, elektronernes bølgefunktioner-matematiske oversigter over deres kvantemekaniske tilstande-har en slags indbygget twist. Takket være vanskeligheden ved at fjerne dette twist, topologiske isolatorer kunne have applikationer inden for kvanteberegning-et felt, der søger at udnytte elektronernes kvantemekaniske egenskaber, atomer eller krystaller til at generere computerkraft, der er eksponentielt hurtigere end nutidens teknologi. UW -teamets opdagelse stammer også fra teorier udviklet af David J. Thouless, en UW-professor emeritus i fysik, der delte Nobelprisen i fysik i 2016 delvist for sit arbejde med topologi i 2-D-området.

Cobden og hans kolleger planlægger at blive ved med at udforske monolag WTe ₂ for at se, hvad de ellers kan lære.

"Alt, hvad vi hidtil har målt om WTe ₂ har en overraskelse i sig, "sagde Cobden." Det er spændende at tænke over, hvad vi kan finde næste gang. "