Ultratunna material gjorda av ett enda lager av atomer har nitat forskarnas uppmärksamhet sedan upptäckten av det första sådana materialet - grafen - för cirka 17 år sedan. Bland andra framsteg sedan dess, forskare inklusive de från ett banbrytande labb vid MIT har funnit att stapling av enskilda ark av 2D-material, och ibland vrida dem i en liten vinkel mot varandra, kan ge dem nya egenskaper, från supraledning till magnetism.

Nu har MIT-fysiker från samma labb och kollegor gjort just det med bornitrid, känd som "vit grafen" delvis för att den har en atomstruktur som liknar sin berömda kusin. Teamet har visat att när två enstaka ark bornitrid staplas parallellt med varandra, materialet blir ferroelektriskt, där positiva och negativa laddningar i materialet spontant går till olika sidor, eller stolpar. Vid applicering av ett externt elektriskt fält, dessa laddningar byter sida, vända polariseringen. Viktigt, allt detta sker vid rumstemperatur.

Det nya materialet, som fungerar via en mekanism som är helt olik befintliga ferroelektriska material, kan ha många tillämpningar.

"Brett variation av fysikaliska egenskaper har redan upptäckts i olika 2D-material. Nu kan vi enkelt stapla den ferroelektriska bornitriden med andra familjer av material för att generera framväxande egenskaper och nya funktioner, " säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik och ledare för arbetet, som rapporterades i tidskriften Science. Jarillo-Herrero är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.

Förutom Jarillo-Herrero, ytterligare författare till tidningen är Kenji Yasuda, en postdoktor vid MIT; Xirui Wang, en MIT doktorand i fysik, och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Japan.

Potentiella applikationer

Bland de potentiella tillämpningarna för det nya ultratunna ferroelektriska materialet, "en spännande möjlighet är att använda den för tätare minneslagring, " säger Yasuda, huvudförfattare till Science paper. Det beror på att byte av polarisering av materialet kan användas för att koda ettor och nollor – digital information – och den informationen kommer att vara stabil över tiden. Det kommer inte att förändras om inte ett elektriskt fält appliceras. I Science-uppsatsen rapporterar teamet om ett proof-of-princip-experiment som visar denna stabilitet.

Eftersom det nya materialet bara är miljarddels meter tjockt – det är en av de tunnaste ferroelektrikerna som någonsin tillverkats – kan det också tillåta mycket tätare datorminne.

Teamet fann vidare att vridning av de parallella arken av bornitrid i en liten vinkel mot varandra resulterade i ännu en "helt ny typ av ferroelektriskt tillstånd, " säger Yasuda. Detta allmänna tillvägagångssätt, känd som twistronics, var pionjär av Jarillo-Herrero-gruppen, som använde den för att uppnå okonventionell supraledning i grafen.

Ny fysik

Det nya ultratunna ferroelektriska materialet är också spännande eftersom det involverar ny fysik. Mekanismen bakom hur den fungerar är helt annorlunda än den för konventionella ferroelektriska material.

säger Yasuda, "Den ferroelektriska omkopplingen utanför planet sker genom glidrörelsen i planet mellan två bornitridskivor. Denna unika koppling mellan vertikal polarisation och horisontell rörelse möjliggörs av bornitrids styvhet i sidled."

Mot annan ferroelektrik

Yasuda noterar att annan ny ferroelektrik skulle kunna produceras med samma teknik som beskrivs i Science. "Vår metod för att förvandla ett icke-ferroelektriskt utgångsmaterial till ett ultratunt ferroelektriskt material gäller andra material med atomstrukturer som liknar bornitrid, så vi kan avsevärt utöka familjen av ferroelektrik. Endast ett fåtal ultratunna ferroelektriska ämnen finns idag, " säger han. Forskarna arbetar för närvarande med detta och har haft några lovande resultat.

Jarillo-Herrero-labbet är en pionjär när det gäller att manipulera och utforska ultratunn, tvådimensionella material som grafen. Ändå, omvandlingen av ultratunn bornitrid till ett ferroelektriskt material var oväntat.

säger Xirui Wang:

"Jag kommer fortfarande ihåg när vi gjorde mätningarna och vi såg ett ovanligt hopp i data. Vi bestämde oss för att vi skulle köra experimentet igen, och när vi gjorde det igen och igen bekräftade vi att det hände något nytt."