Forskere demonstrerer nye egenskaber ved atomisk tynde ferroelektriske stoffer

Ifølge kvantemekanikkens regler, elektroner opfører sig som partikler eller bølger. Svarende til væggene i et vandreservoir, "elektrostatiske potentialvægge" kan skabes for at begrænse elektroner til ønskede rumlige områder, kendt af fysikere som "kvante indhegninger." At begrænse elektroner gør det muligt for fysikere at arbejde med dem, den eksperimentelle pendant til "partikel i en æske"-øvelser i kvantemekanik på bachelorniveau.

Men symmetrien skabt af et materiale, der indeholder elektroner, kan også bruges til at begrænse dem uden at bruge store potentielle vægge. Ja, i såkaldte "kvantematerialer", der er atomart tynde, elektronens momentum kan blive ekstremt specifik, så hvis der skabes små strømme, elektroner har et meget præcist momentum. Elektronens få muligheder for momenta er så specifikke, at de endda får et navn:"dale".

Ferroelektricitet er skabelsen af ​​et iboende elektrisk dipolmoment. Tilføj ferroelektricitet til et atomisk tyndt materiale, og antallet af dale bliver reduceret på grund af en sænket symmetri af atomerne, der danner materialet:i det materiale, der studeres her - et SnTe ("tin telluride") monolag - skaber en sådan ferroelektricitet en horisontal forskydning af nærmeste atomer, der igen reducerer antallet af tilgængelige dale til kun to. I arbejde for nylig udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , misforholdet mellem elektronisk momentum på tværs af domænevægge (dvs. områder med en anden orientering af den iboende elektriske dipol) er vist at skabe stående bølger, selvom der ikke er nogen potentiel opbygning på tværs af domænevæggen.

I teoretisk arbejde udført i samarbejde med eksperimentelle grupper i Kina og Tyskland, doktorgradsstipendiat Brandon J. Miller og Salvador Barraza-Lopez, en lektor i fysik, genskabte SnTe-monolaget observeret eksperimentelt i figur (a) for at verificere skabelsen af ​​stående bølger (b). Fænomenerne blev vist at opstå fra dalens mismatch på tværs af domænevægge (c).

Disse resultater er vigtige på flere måder. Først, de demonstrerer en ny kobling mellem ferroelektricitet og dalens frihedsgrad i todimensionelle materialer, sådan at ferroelektricitet kan bruges til at styre antallet af tilgængelige dale. (Elektroniske enheder baseret på dalens frihedsgrad, såsom hukommelsesenheder baseret på disse ferroelektriske domæner, er blevet foreslået af andre videnskabsmænd, men den her observerede kobling af dal til ferroelektrisk adfærd er helt ny). Ud over, kendskab til afstanden mellem domænevægge, og antallet af lyspunkter ved en given bias, der viser konstruktiv interferens, gør det muligt at udlede den elektroniske struktur af disse ferroelektriske stoffer, at gøre de eksperimentelle teknikker anvendte den første kendte bekræftelse af deres forudsagte elektroniske struktur.