Kvantegeometri giver ny indsigt i smarte materialer med omskiftelig elektrisk polaritet

Kvanteteoretikere ved University of British Columbia har foreslået en ny tilgang til at studere stabling af ferroelektricitet – spontan elektrisk polarisering – i lagdelte, todimensionelle laboratoriedyrkede materialer.

Ferroelektriske materialer er unikke i deres evne til at "huske" deres nye tilstand, efter at det elektriske felt er fjernet, hvilket gør dem nyttige i applikationer, herunder solcelleteknologi og kompakte hukommelsesenheder.

"Vi har erfaret i de seneste år, at kvantegeometri ligger til grund for en overraskende række af materialers observerbare egenskaber," sagde Dr. Marcel Franz, vice videnskabelig direktør ved UBC Blusson QMI og professor ved Institut for Fysik og Astronomi. "Dette arbejde tilføjer en vigtig ny indgang til den voksende liste af fænomener, der kan belyses ved hjælp af denne fascinerende geometriske tilgang."

Ferroelektricitet er en egenskab, der tillader materialer at have en indbygget elektrisk polarisering. Ferroelektriske materialer har omskiftelig polarisering, der kan styres af et elektrisk felt, mens stablende ferroelektriske materialer dannes ved at samle to atomisk tynde ikke-polære lag, der skaber polarisering gennem deres specielle måde at stable på.

"Den mest spændende del af vores opdagelse er, at den underliggende fysik bag stabling af ferroelektricitet faktisk kan forstås som en geometrisk egenskab," sagde UBC Blusson QMI postdoc dr. Benjamin Zhou, hovedforfatter af undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

"For at etablere den meningsfulde forbindelse mellem stabling af ferroelektricitet og geometri var vi nødt til at gennemgå detaljeret modelanalyse og strenge numeriske beregninger for forskellige typer ferroelektriske materialer såsom bikage-dobbeltlag, romboedrisk dobbeltlags molybdændisulfid (3R-MoS_{2 ) og tolags wolframditellurid (WTe2 )," sagde Dr. Zhou. "Resultaterne bekræfter, at vores geometriske tilgang fungerer godt for alle disse materialer."}

Indtil nu har forskere studeret stabling af ferroelektriske materialer på to måder:symmetrianalyse, som afgør, om materialet kan være polært, og beregningsmæssige tilgange, der giver polarisationens størrelse. Imidlertid er disse metoder begrænset til at beskrive robustheden af ​​polarisationen.

Den nye kvantegeometriske tilgang giver forskerne mulighed for at se på polarisationsegenskaberne som et geometrisk træk ved modellen, som de beskriver ved hjælp af en visuel repræsentation af en vektor, der bevæger sig over en kugle.

"For hver stabling af ferroelektrisk materiale er banen for dens tilsvarende enhedsvektor på tværs af kuglen unik, hvilket giver os mulighed for nemt at identificere, hvor robust polariseringen kan være og forudsige, hvilke typer materialer der kan udvise stærk polaritet," sagde Dr. Zhou. "Denne opdagelse giver os en ny kraftfuld linse til at se ind i den underliggende fysik af ferroelektrik."

Undersøgelsen var inspireret af det tidligere eksperimentelle arbejde ledet af Blusson QMI-forsker Dr. Ziliang Ye, offentliggjort i Nature Photonics , hvor Zhou og Franz bidrog til den teoretiske forklaring. Resultaterne demonstreret af Ye's gruppe i 2022 var blandt de første eksperimenter i verden for at opnå ferroelektrisk spontan polarisering via en designet stablingsrækkefølge mellem atomlag.

"Den moderne teori om polarisering forklarer bulk-ferroelektrik ved hjælp af Berry-fasekonceptet, som bliver vanskeligt at håndtere til at stable ferroelektrik i 2D-grænsen. Vores geometriske tilgang genforbinder oprindelsen af ​​polarisering i 2D-ferroelektrik med Berry-fasekonceptet," sagde Vedangi Pathak, en ph.d. studerende i Franzs gruppe, der var medforfatter til undersøgelsen.

"Vores arbejde giver en meget enkel ramme, som alle med en fysikbaggrund kan bruge i deres forskning."