Ontdekking van een nieuwe topologische fase zou kunnen leiden tot opwindende ontwikkelingen in de nanotechnologie

Cambridge-onderzoekers hebben een nieuwe topologische fase ontdekt in een tweedimensionaal systeem, dat kan worden gebruikt als een nieuw platform voor het verkennen van topologische fysica in apparaten op nanoschaal.

Tweedimensionale materialen zoals grafeen hebben gediend als een speeltuin voor de experimentele ontdekking en theoretisch begrip van een breed scala aan fenomenen in de natuurkunde en materiaalkunde. Naast grafeen is er een groot aantal 2D-materialen, allemaal met verschillende fysieke eigenschappen. Dit is veelbelovend voor mogelijke toepassingen in de nanotechnologie, waar een breed scala aan functionaliteit kan worden bereikt in apparaten door verschillende 2D-materialen te gebruiken of combinaties van verschillende lagen te stapelen.

Onlangs werd ontdekt dat in materialen zoals hexagonaal boornitride (hBN), die minder symmetrisch zijn dan grafeen, ferro-elektriciteit optreedt wanneer de ene laag over de andere glijdt en een symmetrie verbreekt. Ferro-elektriciteit is het schakelen van het elektrische dipoolmoment van een materiaal met een elektrisch veld, wat een nuttige eigenschap is voor informatieverwerking en geheugenopslag.

Wanneer 2D-materialen ten opzichte van elkaar worden gedraaid, vormen ze een prachtig interferentiepatroon dat bekend staat als een moiré-superrooster, dat de fysieke eigenschappen radicaal kan veranderen. Wanneer hBN en soortgelijke materialen worden gedraaid, worden de verschillende stapelgebieden gepolariseerd, wat leidt tot een regelmatig netwerk van polaire domeinen, waarvan ook is aangetoond dat ze leiden tot ferro-elektriciteit.

In deze nieuwe studie gerapporteerd in Natuurcommunicatiehebben onderzoekers van Cambridge’s Cavendish Laboratory en de Universiteit van Luik, België, ontdekt dat er meer is in deze polaire domeinen die iedereen bestudeert: ze zijn inherent topologisch en vormen objecten die bekend staan ​​als meronen en antimerons.

“De polarisatie in gedraaide systemen wijst in de richting buiten het vlak, dat wil zeggen loodrecht op de lagen”, zei eerste auteur Dr. Daniel Bennett, die dit project begon in het Cavendish Laboratory en nu is gevestigd aan de Harvard University. ONS.

“Wat we ontdekten, is dat het breken van de symmetrie veroorzaakt door glijden of draaien ook resulteert in een polarisatie in het vlak die qua sterkte vergelijkbaar is met de polarisatie buiten het vlak. De polarisatie in het vlak vormt een prachtig vectorveld en zijn vorm wordt volledig bepaald door de symmetrie van de lagen.”

De ontdekking van de polarisatie in het vlak laat zien dat de elektrische eigenschappen van 2D-getwiste systemen veel complexer zijn dan eerder werd gedacht. Wat nog belangrijker is, door zowel de in-plane als out-of-plane delen van de polarisatie te combineren, realiseerde het team zich dat de polarisatie in deze gedraaide dubbellagen topologisch niet-triviaal is.

“In elk domein slingert het polarisatieveld rond met een halve omwenteling en vormt een topologisch object dat bekend staat als een meron (een halve skyrmion)”, zei dr. Robert-Jan Slager, wiens groep van het Cavendish Laboratory bij het onderzoek betrokken was. “Door de gedraaide laag vormt zich een robuust netwerk van merons en antimerons.”

“In de natuurkunde kunnen de meeste dingen worden begrepen in termen van energie”, zei Bennett. “De natuur is lui en doet dingen graag zo efficiënt mogelijk, door de energie van een systeem te minimaliseren.”

De fase die een materiaal zal aannemen, is meestal degene met de laagste energie. Topologische fasen en topologische eigenschappen worden echter niet bepaald door energetica, maar door de verschillende symmetrieën van een systeem. De fysische eigenschappen van een systeem, zoals de elektrische of magnetische velden, kunnen complexe structuren vormen die in de knoop raken of in de knoop raken omdat ze daartoe worden gedwongen door symmetrie.

“De energetische kosten van het ontwarren van deze knopen zijn erg hoog, dus deze structuren worden uiteindelijk behoorlijk robuust”, zei Slager. “Het is erg aantrekkelijk om deze topologische objecten te kunnen creëren, vernietigen en besturen, bijvoorbeeld op het gebied van topologische quantumcomputing.”

Om dit te doen, zijn de toekomstige doelen van de onderzoekers het ontwikkelen van een beter begrip van topologische polarisatie, evenals het ontwikkelen van een proof of concept voor een apparaat waarin de polaire meronen / antimeronen die ze ontdekten kunnen worden gecontroleerd, of leiden tot opwindende nieuwe fysieke verschijnselen.