Лестница Сегнетоэлектрики. Предоставлено: Тель-Авивский университет.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, было проведено доктором Сварупом Деб, магистром наук. студент Ноам Рааб, профессор Моше Гольдштейн и доктор Моше Бен Шалом, все из Школы физики и астрономии Раймонда и Беверли Саклер в Тель-Авивском университете, а также доктор Вей Цао, профессор Майкл Урбах и профессор Одед Ход, Химическая школа ТАУ, и профессор Лиор Кроник из Weizmann Inst.

Доктор Моше Бен Шалом, глава группы Quantum Layered Matter Group, говорит: «Мы очарованы тем, как упорядочиваются атомы в конденсированном веществе, как электроны смешиваются между атомами и могут ли и каким образом внешние стимулы влиять на атомный порядок и распределение электрического заряда».

«Ответить на эти вопросы сложно из-за огромного количества атомов и электронов даже в самых крошечных устройствах наших самых передовых технологий. Одна из хитростей заключается в изучении кристаллов, которые содержат гораздо более мелкие единицы, где каждая включает всего несколько атомов и электронов ... В то время как кристаллы состоят из множества одинаковых единиц, периодически повторяющихся в пространстве, их свойства полностью выводятся из симметрии одной элементарной ячейки и деталей нескольких атомов, которые она захватывает».

«И все же сложно понять и предсказать эти детали, поскольку электроны распространяются по всем атомам одновременно, что определяется их совместными квантово-механическими взаимодействиями».

Один из способов исследовать атомный порядок и распределение электронного заряда — нарушить симметрию ячеек, чтобы вызвать внутренние электрические поля. Кристаллы с постоянными внутренними электрическими полями называются полярными кристаллами. В 2020 году та же лаборатория в TAU сообщила о новом полярном кристалле, состоящем из двух слоев кристалла Ван-дер-Ваальса, каждый из которых имеет толщину всего в один атом.

Доктор Бен Шалом резюмирует, что естественный порядок, в котором «растут эти кристаллы, является симметричным, при этом каждый последующий слой поворачивается на 180 градусов по сравнению с предыдущим. Здесь один тип атомов расположен точно над другим типом. И наоборот, искусственный кристаллы, собранные в лаборатории, не вращаются, что приводит к небольшому сдвигу между слоями, что приводит к отклонению от полностью симметричных конфигураций».

«Эта несимметричная кристаллическая структура заставляет электроны прыгать из одного слоя в другой, образуя между ними постоянное электрическое поле. Важно отметить, что группа обнаружила, что приложение внешних электрических полей заставляет слои скользить вперед и назад, чтобы соответствовать направлению прыжка электрона. с ориентацией внешнего поля. Они назвали явления «межфазным сегнетоэлектричеством» и указали на уникальное движение доменных стенок, которое управляет откликом «Slide-Tronics».

«Скольжение и восхождение по лестнице-сегнетоэлектрик»: периодический кристалл состоит из двух разных атомов, повторяющихся с постоянным расстоянием в каждом горизонтальном слое. Перемещение слоев вправо или влево, чтобы расположить красный атом над синим (или наоборот), заставляет электроны прыгать вверх (или вниз) между слоями. В отличие от обычных полярных кристаллов межфазная сегнетоэлектрическая система имеет отчетливые, равномерно расположенные ступени электрического потенциала, которые могут служить отдельными информационными единицами. Предоставлено: Тель-Авивский университет.

Доктор Бен Шалом уточняет: «Сегнетоэлектрический отклик, который мы обнаружили, находится в системе толщиной в два атома, самой тонкой из возможных, и, следовательно, очень привлекателен для информационных технологий, основанных на электронном квантовом туннелировании. Сейчас мы разрабатываем такие туннельные устройства в Скрытая фаза компании под названием Slide-Tro LTD, созданная совместно с университетом и внешним инвестором. Мы считаем, что с помощью этой технологии можно создавать множество устройств, от маломощной электроники до надежных энергонезависимых запоминающих устройств».

«С точки зрения фундаментальной науки открытие поставило нас перед новыми вопросами: как упорядочивается электрический заряд? И как растет электрический потенциал, если мы накладываем дополнительные слои, чтобы еще больше нарушить или восстановить симметрию кристаллов? Другими словами, вместо этого утончения кристаллов, как это широко исследовалось на сегодняшний день, теперь мы могли собирать новые полярные кристаллы, слой за слоем, и исследовать электрический потенциал на любой ступени кристаллической лестницы».

В эксперименте исследователи сравнили соседние домены толщиной в несколько слоев с разными сдвигами вперед/назад между различными слоями, что привело к разным ориентациям поляризации. Например, в четырех слоях (с тремя полярными интерфейсами) возможны четыре конфигурации: все направлены вверх ↑↑↑, одна вниз и две вверх ↑↑↓, две вниз и одна вверх ↑↓↓ и все вниз ↓↓↓ .

«Мы были рады найти лестницу с различными электрическими потенциалами, разделенными почти ровными ступенями, так что каждая ступенька может использоваться как независимая информационная единица», — говорит Ноам Раб, студент, проводивший измерения. «Это очень отличается от любой полярной тонкой пленки, известной на сегодняшний день, где величина поляризации очень чувствительна ко многим поверхностным эффектам и где полярная ориентация переключается сразу только между двумя потенциалами».

Кроме того, подчеркивает д-р Сваруп Деб, ведущий автор статьи, «мы обнаружили, что внутренние электрические поля остаются значительными, даже если мы добавляем внешние электроны в систему, чтобы сделать ее одновременно проводящей и полярной. Как правило, внешний заряд экранирует внутренняя поляризация, но в современных межфазных сегнетоэлектриках дополнительные электроны могут течь только вдоль слоев, не слишком сильно прыгая между ними, чтобы приглушить внеплоскостное электрическое поле».

Доктор Вей Цао, один из других ведущих авторов, добавляет: «С помощью теоретических расчетов, основанных на принципах квантовой механики, мы определили точное распределение полярного заряда и проводящего заряда слоев и, следовательно, защищены от внешних возмущений».

«Расчеты позволили нам предсказать, какие кристаллы лучше всего устойчивы к дополнительному заряду и как спроектировать еще более совершенные лестничные сегнетоэлектрики для формирования новой лестницы-мультиферроиков».