Fluctuaties in domeinmuren in 2D-materialen onthullen een nieuw mechanisme van supergeleiding

Tweedimensionale (2D) van der Waals zijn gemaakt van atomair dunne lagen, bij elkaar gehouden door zwakke van der Waals-krachten. Deze materialen zijn de focus geweest van talloze onderzoeken, omdat ze door hun unieke eigenschappen ideaal zijn voor het bestuderen van verschillende exotische en zeldzame fysische verschijnselen.

Gaurav Chaudhary en Ivar Martin, twee onderzoekers aan respectievelijk de Universiteit van Cambridge en het Argonne National Laboratory, wilden een bepaald type 2D van der Waals-materiaal verder onderzoeken, namelijk 2D-materialen zonder een inversiecentrum (dwz een symmetrie waarin twee helften van een materiaal spiegelen elkaar).

Hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenonthulde het bestaan ​​van een intrigerend verband tussen ferro-elektrische domeinwanden en elektroneninteracties in sommige van deze materialen.

“Een groot aantal van der Waals-materialen met enkele lagen, waaronder boornitride en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s), tonen het merkwaardige fenomeen van glijdende ferro-elektriciteit”, vertelden Chaudhary en Martin aan Phys.org.

“Ondanks dat ze metaalachtig zijn, kunnen verschillende laagstapelingen, vanwege de chemie en structuur van deze systemen, een ingebouwde elektrische polarisatie hebben, dat wil zeggen een elektrisch veld tussen de lagen en een onbalans in de lading. Wat vooral opvalt is dat door het aanleggen van een gematigd extern elektrisch veld, het Het is mogelijk om de stapeling op vrij grote schaal te veranderen, waardoor de polarisatierichting wordt omgedraaid.”

Verschillende stapels in 2D van der Waals-materialen die door dit fenomeen worden getroffen, ook wel ‘glijdende ferro-elektriciteit’ genoemd, zijn met elkaar verbonden door een grote verschuiving op apparaatschaal van twee lagen met verschillende angstroms. Eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat dit effect bij kamertemperatuur kan aanhouden.

“Dit fenomeen heeft de belangstelling gewekt van wetenschappers die het microscopische mechanisme van deze transformaties proberen te begrijpen, evenals van ingenieurs die graag toepassingen van dit opmerkelijke fenomeen willen vinden”, aldus Chaudhary en Martin.

“Net als bij ferromagneten en bulk-ferro-elektrische materialen is een energetisch efficiënte manier om de polarisatie om te keren, door een domeinmuur door het systeem te laten vegen. De ruimtelijke dimensionaliteit van een domeinmuur is één minder dan die van het materiaal (een 2D-oppervlak in het geval van 3D-bulkmaterialen en 1D voor dunne films).

Een domeinmuur is een grens of interface die gebieden binnen een materiaal scheidt die verschillende oriëntaties van ferro-elektrische polarisatie of andere eigenschappen vertonen. Deze unieke grens realiseert een zadelpunt van vrije energiedichtheid, in tegenstelling tot een minimum.

Als gevolg hiervan kunnen de eigenschappen van domeinmuren aanzienlijk verschillen van die van de oorspronkelijke bulkmaterialen waarin ze zich bevinden en van materialen met verminderde ruimtelijke dimensionaliteit. In het bijzonder kunnen deze interfaces een unieke vorm en een grote sterke elektron-fononkoppeling vertonen.

“Ons project dat zich concentreerde op de wisselwerking tussen glijdende FE en supergeleiding kwam op de volgende manier tot stand”, legden Chaudhary en Martin uit.

“We dachten na over een aantal merkwaardige aspecten van ferro-elektriciteit in dubbellagen van van der Waals-materialen, waaronder grafeen, die totaal geen verband hielden met supergeleiding. Toen we echter enig inzicht begonnen te krijgen in de zogenaamde ‘glijdende ferro-elektrische’ verschijnselen, het viel ons op dat er een interessante koppeling zou kunnen zijn met elektronen nabij de ferro-elektrische domeinmuren.”

Terwijl ze theoretisch de grondslagen van ‘glijdende ferro-elektriciteit’ aan het onderzoeken waren, observeerden de onderzoekers hints van dit fenomeen in de materiële MoTe₂. Concreet ontdekten ze dat de supergeleidende Tc in dit materiaal sterk verbeterd is bij de FE-omkeerovergang.

“De verbetering is ‘van voorbijgaande aard’ en wordt gezien binnen de hysteresislus, dat wil zeggen wanneer het systeem domeinen bevat met zowel oriëntaties als domeinmuren die ze scheiden”, aldus Chaudhary en Martin.

“Dus we volgden onze nieuwsgierigheid, en gelukkig bleek dat de situatie nabij de domeinmuren heel geschikt is voor het koppelen van interacties, die nodig zijn voor supergeleiding.”

Over het geheel genomen hebben de bevindingen van het recente werk van Chaudhary en Martin aangetoond dat het domeinmuurgebied in 2D TMD-materialen in feite buitengewoon speciaal is. In dit gebied koppelt de elektronische dichtheid direct aan polarisatie, omdat er een potentiaaldaling ontstaat tussen de lagen van deze materialen.

“Het midden van de domeinmuur wordt bepaald door de afwezigheid van polarisatie, en naïef zou je kunnen verwachten dat daar de koppeling tussen polarisatie en rondtrekkende elektronen zou verdwijnen”, aldus Chaudhary en Martin.

“Dit is inderdaad het geval voor statische koppeling; supergeleiding wordt echter aangedreven door dynamische fluctuaties. De roostertrillingen in het domeinwandgebied, die de relatieve positie van lagen beïnvloeden (de stapeling), leiden tot polarisatiefluctuaties (of zijn gelijkwaardig aan fluctuaties in de positie van de domeinmuur).”

Na een nauwkeurige studie van 2D TMD’s konden Chaudhary en Martin de ‘glijdende ferro-elektriciteit’ die ze vertonen beter begrijpen. Hierdoor konden ze een theoretische methodologie bedenken die de fysieke processen achter dit fenomeen schetste.

‘Toen we dit systeem eenmaal begrepen en een fysiek beeld hadden van wat er zou kunnen gebeuren, was de theoretische methodologie eenvoudig, van de standaardbehandeling van elektron-fonon of elektronenkoppeling tot een zacht boson (een soort trillingen met lage energie) in de vele -leerboeken over lichaamsfysica”, legden Chaudhary en Martin uit.

“Het kostte ons enige tijd om te begrijpen hoe microscopische interacties eruit kunnen zien. De systemen zijn zeer onregelmatig in de fysieke opzet met domeinmuren vergeleken met standaard leerboekopstellingen van uniforme systemen.”

Met name het mechanisme dat aanleiding geeft tot supergeleiding, bestudeerd door Chaudhary en Martin, is uniek voor 2D TMD’s met een paar lagen. Dit komt omdat alleen deze materialen ferro-elektriciteit tussen de lagen kunnen ondersteunen terwijl ze geleidend blijven binnen 2D-vlakken.

“De fysieke omstandigheden die binnen deze domeinmuren worden gerealiseerd zijn heel bijzonder, waardoor sterke elektron-elektron-interacties mogelijk zijn, zelfs als de dynamische lijm min of meer standaard roostertrillingen is”, aldus Chaudhary en Martin. “Dit zorgt voor een conceptueel nieuw mechanisme van supergeleiding.”

Over het algemeen wordt supergeleiding die voortkomt uit de koppeling van elektronen en fononen gezien als een conventioneel fysiek mechanisme. Om onconventionele mechanismen te karakteriseren, zoeken natuurkundigen daarentegen naar sterke elektron-elektron-interacties. De door Chaudhary en Martin waargenomen supergeleiding bevindt zich ergens tussen conventionele en onconventionele mechanismen.

“We hebben aangetoond dat plaatsen zoals domeinmuren, die doorgaans gepaard gaan met onregelmatigheden en potentieel schadelijk zijn voor zaken als supergeleiding, inderdaad nuttig kunnen zijn voor supergeleiding”, aldus de onderzoekers.

Deze studie zou binnenkort andere onderzoeksgroepen kunnen inspireren om de opkomst van supergeleiding in 2D TMD’s en andere dubbellaagse Van der Waals-materialen te onderzoeken. Ondertussen zijn de onderzoekers van plan door te gaan met het onderzoeken van de domeinmuurgerelateerde supergeleiding die ze hebben ontdekt.

“Er zijn veel dingen die moeten worden uitgezocht, evenals veel nieuwe mogelijkheden in toepassingen”, zeiden ze. “Ten eerste moeten we nog steeds directere manieren bedenken om de geldigheid van onze theoretische ideeën in echte systemen vast te stellen. Deze inspanningen zouden baat hebben bij microscopische modellering met behulp van eerste-principesmethoden.”

De onderzoekers suggereren dat indirecte kenmerken van de domeinmuurfluctuatie-gerelateerde supergeleiding mogelijk al bestaan ​​in een recent experimenteel onderzoek uitgevoerd door een ander team van Columbia, UW Madison en de Universiteit van Minnesota, waarbij de nadruk lag op het materiaal MoTe.₂.

In hun volgende studies zijn de onderzoekers ook van plan de mogelijkheid te onderzoeken om deze supergeleiding te benutten om verschillende supergeleidende apparaten te ontwikkelen.

“Vanuit het toepassingspunt onderzoeken we of er een mogelijkheid bestaat van zeer controleerbare supergeleidende apparaten, waarbij het manipuleren van de ferro-elektrische orde supergeleiding aan en uit schakelt”, voegden Chaudhary en Martin eraan toe.

“We verwachten ook dat nieuwe supergeleiders systematisch kunnen worden ontworpen door polaire lagen op elkaar te plaatsen. We verwachten ook dat vergelijkbare mechanismen operationeel zullen zijn in moiré-systemen waar domeinmuren een regulier netwerk vormen.”