Kvantteoretiker vid University of British Columbia har föreslagit ett nytt tillvägagångssätt för att studera stapling av ferroelektricitet – spontan elektrisk polarisation – i skiktade, tvådimensionella labbodlade material.
Ferroelektriska material är unika i sin förmåga att "minna" sitt nya tillstånd efter att det elektriska fältet har tagits bort, vilket gör dem användbara i applikationer inklusive solcellsteknik och kompakta minnesenheter.
"Vi har lärt oss under de senaste åren att kvantgeometrin ligger till grund för ett överraskande urval av de observerbara egenskaperna hos material", säger Dr Marcel Franz, biträdande vetenskaplig chef vid UBC Blusson QMI och professor vid institutionen för fysik och astronomi. "Detta arbete lägger till ett viktigt nytt inträde till den växande listan över fenomen som kan belysas med hjälp av denna fascinerande geometriska metod."
Ferroelektricitet är en egenskap som tillåter material att ha en inbyggd elektrisk polarisation. Ferroelektriska material har omkopplingsbar polarisation som kan styras av ett elektriskt fält, medan staplingsferroelektrik bildas genom att sammansätta två atomärt tunna opolära lager som skapar polarisering genom sitt speciella sätt att stapla.
"Den mest spännande delen av vår upptäckt är att den underliggande fysiken bakom stapling av ferroelektricitet faktiskt kan förstås som en geometrisk egenskap", säger UBC Blusson QMI postdoktor Dr. Benjamin Zhou, huvudförfattare till studien publicerad i tidskriften Fysiska granskningsbrev .
"För att fastställa den meningsfulla kopplingen mellan stapling av ferroelektricitet och geometri, var vi tvungna att gå igenom detaljerad modellanalys och rigorösa numeriska beräkningar för olika typer av ferroelektriska material såsom bikakedubbelskikt, romboedrisk dubbelskiktsmolybdendisulfid (3R-MoS2 ) och tvåskiktsvolframditellurid (WTe2 ),", sa Dr. Zhou. "Resultaten bekräftar att vår geometriska metod fungerar bra för alla dessa material."
Hittills har forskare studerat stapling av ferroelektriska material på två sätt:symmetrianalys, som avgör om materialet kan vara polärt, och beräkningsmetoder som ger polarisationens storlek. Dessa metoder är dock begränsade när det gäller att beskriva robustheten hos polarisationen.
Det nya kvantgeometriska tillvägagångssättet gör det möjligt för forskarna att se på polarisationsegenskaperna som en geometrisk egenskap hos modellen, som de beskriver med hjälp av en visuell representation av en vektor som rör sig över en sfär.
"För varje stapling av ferroelektriskt material är banan för dess motsvarande enhetsvektor över sfären unik, vilket gör att vi enkelt kan identifiera hur robust polariseringen kan vara och förutsäga vilka typer av material som kan uppvisa stark polaritet", säger Dr Zhou. "Denna upptäckt ger oss en ny kraftfull lins för att undersöka ferroelektrikens underliggande fysik."
Studien var inspirerad av det tidigare experimentella arbetet ledd av Blusson QMI-utredaren Dr Ziliang Ye, publicerat i Nature Photonics , där Zhou och Franz bidrog till den teoretiska förklaringen. Resultaten som visades av Yes grupp 2022 var bland de första experimenten i världen för att uppnå ferroelektrisk spontan polarisering via en designad staplingsordning mellan atomskikten.
"Den moderna teorin om polarisering förklarar bulk-ferroelektrik med hjälp av Berry-faskonceptet som blir knepigt att hantera för att stapla ferroelektrik i 2D-gränsen. Vårt geometriska tillvägagångssätt återansluter ursprunget till polarisation i 2D-ferroelektrik med Berry-faskonceptet", säger Vedangi Pathak, en Ph.D. student i Franzs grupp som var medförfattare till studien.
"Vårt arbete ger ett mycket enkelt ramverk som alla med fysikbakgrund kan använda i sin forskning."
