Onderzoek onthult de dunst mogelijke laddertreden gemaakt van verschillende elektrische potentialen

Onderzoek van de Universiteit van Tel Aviv onthult tweedimensionale kristallen die een unieke beheersing van verschillende elektrische potentiaalstappen vertonen door atomair dunne lagen tegen elkaar te schuiven. De opeenvolgende, uiteindelijk dunne, elektrische schakelaars die zijn gerapporteerd, zijn een zeer gewilde bron voor informatietechnologie en nieuwe elektro- en optomechanische toepassingen.

Het onderzoek, nu gepubliceerd in Natuur, werd uitgevoerd door Dr. Swarup Deb, M.Sc. student Noam Raab, prof. Moshe Goldstein en dr. Moshe Ben Shalom, allen van de Raymond & Beverly Sackler School of Physics & Astronomy aan de Universiteit van Tel Aviv, en dr. Wei Cao, prof. Michael Urbakh en prof. Oded Hod van de Scheikundeschool aan de TAU, en prof. Leeor Kronik van de Weizmann Inst.

Dr. Moshe Ben Shalom, hoofd van de Quantum Layered Matter Group, zegt: “We zijn gefascineerd door hoe de atomen in een gecondenseerde materievolgorde, hoe elektronen ervoor kiezen zich tussen de atomen te mengen en of en hoe externe prikkels de atomaire orde en de elektrische ladingsverdeling kunnen manipuleren.”

“Het beantwoorden van deze vragen is een uitdaging vanwege het enorme aantal atomen en elektronen, zelfs in de kleinste apparaten van onze meest geavanceerde technologieën. Een van de trucs is om kristallen te bestuderen, die veel kleinere eenheden bevatten, elk met slechts een paar atomen en elektronen. Hoewel kristallen zijn gemaakt van veel identieke eenheden, die periodiek in de ruimte worden herhaald, worden hun eigenschappen volledig afgeleid van de symmetrie van één eenheidscel en de details van de weinige atomen die het vastlegt.”

“En toch is het een uitdaging om deze details te begrijpen en te voorspellen, aangezien de elektronen zich tegelijkertijd over alle atomen verspreiden, zoals bepaald door hun gezamenlijke kwantummechanische interacties.”

Een manier om de atomaire orde en de elektronische ladingsverdeling te onderzoeken, is door de symmetrie van de cellen te doorbreken om interne elektrische velden te induceren. Kristallen met permanente interne elektrische velden worden poolkristallen genoemd. In 2020 rapporteerde hetzelfde laboratorium van TAU een nieuw poolkristal door twee lagen van een van der Waals-kristal op elkaar te stapelen, waarbij elke laag slechts één atoom dik was.

Dr. Ben Shalom vat samen dat de natuurlijke volgorde waarin “deze kristallen groeien symmetrisch, waarbij elke volgende laag 180 graden wordt gedraaid in vergelijking met de vorige. Hier staat het ene type atoom precies boven het andere type. Omgekeerd worden de kunstmatige kristallen die in het lab zijn geassembleerd niet geroteerd, wat resulteert in een lichte verschuiving tussen de lagen, waardoor ze afdwalen van de volledig symmetrische configuraties.”

“Deze niet-symmetrische kristalstructuur dwingt elektronen om van de ene laag naar de andere te springen, waardoor er een permanent elektrisch veld tussen hen ontstaat. Cruciaal was dat de groep ontdekte dat het toepassen van externe elektrische velden ervoor zorgt dat de lagen heen en weer schuiven om de richting van de sprong van het elektron af te stemmen op de oriëntatie van het externe veld. Ze noemden het fenomeen ‘interfaciale ferro-elektriciteit’ en wezen op de unieke beweging van de domeinmuur die de ‘Slide-Tronics’-respons regelt.”

Dr. Ben Shalom legt uit, “De ferro-elektrische respons die we hebben ontdekt, bevindt zich in een systeem van twee atomen dik, het dunst mogelijke, en is daarom zeer aantrekkelijk voor informatietechnologieën die zijn gebaseerd op elektronische kwantumtunneling. We ontwikkelen nu dergelijke tunnelapparatuur in een stealth-fasebedrijf genaamd Slide-Tro LTD, opgericht met de universiteit en een externe investeerder. Wij zijn van mening dat een breed scala aan apparaten, van elektronica met laag vermogen tot robuuste niet-vluchtige geheugens, mogelijk is met deze technologie.”

“Vanuit een fundamenteel wetenschappelijk perspectief wees de ontdekking ons op nieuwe vragen: hoe werkt de elektrische lading? En hoe groeit het elektrische potentieel als we extra lagen stapelen om de symmetrie van de kristallen verder te breken of te herstellen? Met andere woorden, in plaats van kristallen uit te dunnen, zoals tot nu toe enorm is onderzocht, kunnen we nu nieuwe poolkristallen samenstellen, laag voor laag, en de elektrische potentiaal op elke trede van de kristallijne ladder onderzoeken.”

In het experiment vergeleken de onderzoekers aangrenzende paar lagen dikke domeinen met verschillende achterwaartse / voorwaartse verschuivingen tussen de verschillende lagen, resulterend in verschillende polarisatie-oriëntaties. In vier lagen (met drie polaire interfaces) zijn er bijvoorbeeld vier toegestane configuraties: allemaal omhoog wijzend ↑↑↑, één omlaag en twee omhoog ↑↑↓, twee omlaag en één omhoog ↑↓↓, en allemaal omlaag ↓↓↓ .

“We waren verheugd om een ​​ladder te vinden van verschillende elektrische potentialen die gescheiden zijn door bijna gelijke treden, zodat elke trede kan worden gebruikt als een onafhankelijke informatie-eenheid,” zegt Noam Rab, een student die de metingen uitvoert. “Dit is heel anders dan elke tot nu toe bekende polaire dunne film, waar de polarisatiemagnitude erg gevoelig is voor veel oppervlakte-effecten en waar de polaire oriëntatie in één keer alleen tussen twee potentialen schakelt.”

Verder benadrukt Dr. Swarup Deb, een vooraanstaand auteur van het artikel, “we ontdekten dat de interne elektrische velden aanzienlijk blijven, zelfs als we externe elektronen aan het systeem toevoegen om het zowel geleidend als polair te maken. Doorgaans schermt de externe lading de interne polarisatie af, maar in de huidige interfaciale ferro-elektriciteit konden de extra elektronen alleen langs de lagen stromen zonder er te veel tussen te springen, om het elektrische veld buiten het vlak te dempen.”

Dr. Wei Cao, een van de andere vooraanstaande auteurs, vult aan “Met behulp van theoretische berekeningen op basis van kwantummechanische principes hebben we de precieze verdeling van de polaire lading en de geleidende lading in kaart gebracht. De eerste is sterk beperkt tot de interfaces tussen de lagen en wordt daarom beschermd tegen externe verstoringen.”

“Dankzij de berekeningen konden we voorspellen welke kristallen het best bestand zijn tegen de extra lading en hoe we nog betere Ladder-Ferro-elektriciteit konden ontwerpen. De meest waarschijnlijke richtingen van een toekomstig onderzoek dat we in de toekomst zien, is het manipuleren van meer elektronische ordes zoals magnetisme en supergeleiding door verschillende kristalsymmetrieën te verschuiven om nieuwe Ladder-Multiferroics te vormen.”