Fysikere udvikler ny ejendom af hvid grafen

Ultratynde materialer lavet af et enkelt lag atomer har fanget videnskabsmænds opmærksomhed siden opdagelsen af ​​det første sådant materiale - grafen - for omkring 17 år siden. Blandt andre fremskridt siden da, forskere, inklusive dem fra et banebrydende laboratorium ved MIT, har fundet ud af, at stabling af individuelle ark af 2D-materialer, og nogle gange drejer dem i en lille vinkel i forhold til hinanden, kan give dem nye egenskaber, fra superledning til magnetisme.

Nu har MIT-fysikere fra det samme laboratorium og kolleger gjort netop det med bornitrid, kendt som "hvid grafen" til dels fordi den har en atomstruktur svarende til dens berømte fætter. Holdet har vist, at når to enkelte plader bornitrid stables parallelt med hinanden, materialet bliver ferroelektrisk, hvor positive og negative ladninger i materialet spontant går til forskellige sider, eller stænger. Ved påføring af et eksternt elektrisk felt, disse ladninger skifter side, vende polariseringen. Vigtigt, alt dette sker ved stuetemperatur.

Det nye materiale, som virker via en mekanisme, der er helt anderledes end eksisterende ferroelektriske materialer, kunne have mange applikationer.

"En bred variation af fysiske egenskaber er allerede blevet opdaget i forskellige 2D-materialer. Nu kan vi nemt stable det ferroelektriske bornitrid med andre familier af materialer for at generere nye egenskaber og nye funktionaliteter, " siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik og leder af arbejdet, som blev rapporteret i tidsskriftet Science. Jarillo-Herrero er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

Ud over Jarillo-Herrero, yderligere forfattere af papiret er Kenji Yasuda, en MIT postdoc-stipendiat; Xirui Wang, en MIT kandidatstuderende i fysik, og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan.

Potentielle applikationer

Blandt de potentielle anvendelser af det nye ultratynde ferroelektriske materiale, "en spændende mulighed er at bruge den til tættere hukommelseslagring, " siger Yasuda, hovedforfatter af Science papiret. Det skyldes, at skift af polarisering af materialet kan bruges til at kode etaller og nuller - digital information - og den information vil være stabil over tid. Det ændrer sig ikke, medmindre der påføres et elektrisk felt. I Science-papiret rapporterer holdet om et proof-of-principle-eksperiment, der viser denne stabilitet.

Fordi det nye materiale kun er milliardtedele af en meter tykt – det er en af ​​de tyndeste ferroelektriske stoffer, der nogensinde er lavet – kunne det også tillade meget tættere computerhukommelseslagring.

Holdet fandt endvidere ud af, at vridning af de parallelle plader af bornitrid i en lille vinkel i forhold til hinanden resulterede i endnu en "helt ny type ferroelektrisk tilstand, " siger Yasuda. Denne generelle tilgang, kendt som twistronics, var pioneret af Jarillo-Herrero-gruppen, som brugte det til at opnå ukonventionel superledning i grafen.

Ny fysik

Det nye ultratynde ferroelektriske materiale er også spændende, fordi det involverer ny fysik. Mekanismen bag, hvordan det fungerer, er helt anderledes end konventionelle ferroelektriske materialer.

siger Yasuda, "Den ferroelektriske omskiftning uden for planet sker gennem glidebevægelsen i planet mellem to bornitridplader. Denne unikke kobling mellem vertikal polarisering og horisontal bevægelse er muliggjort af bornitrids laterale stivhed."

Mod anden ferroelektrik

Yasuda bemærker, at andre nye ferroelektriske stoffer kunne fremstilles ved hjælp af samme teknik beskrevet i Science. "Vores metode til at omdanne et ikke-ferroelektrisk udgangsmateriale til et ultratyndt ferroelektrisk gælder for andre materialer med atomare strukturer, der ligner bornitrid, så vi kan udvide familien af ​​ferroelektriske komponenter enormt. Kun få ultratynde ferroelektriske stoffer eksisterer i dag, " siger han. Forskerne arbejder i øjeblikket på det og har haft nogle lovende resultater.

Jarillo-Herrero laboratoriet er en pioner i at manipulere og udforske ultratynd, todimensionelle materialer som grafen. Alligevel, omdannelsen af ​​ultratynd bornitrid til et ferroelektrisk var uventet.

Siger Xirui Wang:

"Jeg kan stadig huske, da vi lavede målingerne, og vi så et usædvanligt spring i dataene. Vi besluttede, at vi skulle køre eksperimentet igen, og da vi gjorde det igen og igen, bekræftede vi, at der var noget nyt ved at ske."