Cuando dos monocapas de WTe2 se apilan en una bicapa, aparece una polarización eléctrica espontánea, una capa se carga positivamente y la otra carga negativamente. Esta polarización se puede invertir aplicando un campo eléctrico. Crédito:Joshua Kahn
El público en general podría pensar en el siglo XXI como una era de plataformas tecnológicas revolucionarias, como teléfonos inteligentes o redes sociales. Pero para muchos científicos, este siglo es la era de otro tipo de plataforma:materiales bidimensionales, y sus secretos inesperados.
Estos materiales 2-D se pueden preparar en láminas cristalinas tan delgadas como una sola monocapa, sólo uno o unos pocos átomos de espesor. Dentro de una monocapa, los electrones están restringidos en cuanto a cómo pueden moverse:como piezas en un juego de mesa, pueden moverse de adelante hacia atrás, de lado a lado o en diagonal, pero no hacia arriba ni hacia abajo. Esta restricción hace que las monocapas sean funcionalmente bidimensionales.
El reino 2-D expone las propiedades predichas por la mecánica cuántica, las reglas basadas en ondas de probabilidad que subyacen al comportamiento de toda la materia. Desde que el grafeno, la primera monocapa, debutó en 2004, Los científicos han aislado muchos otros materiales bidimensionales y han demostrado que albergan propiedades físicas y químicas únicas que podrían revolucionar la informática y las telecomunicaciones. entre otros campos.
Para un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington, la forma bidimensional de un compuesto metálico:ditelurida de tungsteno, o WTe 2 —Es un grupo de revelaciones cuánticas. En un artículo publicado en línea el 23 de julio en la revista Naturaleza , investigadores informan sobre su último descubrimiento sobre WTe 2 :Su forma 2-D puede sufrir "conmutación ferroeléctrica". Descubrieron que cuando se combinan dos monocapas, la "bicapa" resultante desarrolla una polarización eléctrica espontánea. Esta polarización se puede cambiar entre dos estados opuestos mediante un campo eléctrico aplicado.
"Encontrar conmutación ferroeléctrica en este material 2-D fue una completa sorpresa, "dijo el autor principal David Cobden, un profesor de física de la Universidad de Washington. "No lo estábamos buscando, pero vimos un comportamiento extraño, y después de hacer una hipótesis sobre su naturaleza, diseñamos algunos experimentos que lo confirmaron muy bien ".
Los materiales con propiedades ferroeléctricas pueden tener aplicaciones en el almacenamiento de memoria, condensadores, Tecnologías de tarjetas RFID e incluso sensores médicos.
"Piense en los ferroeléctricos como un interruptor de la naturaleza, "dijo Cobden." El estado polarizado del material ferroeléctrico significa que tiene una distribución desigual de cargas dentro del material, y cuando ocurre la conmutación ferroeléctrica, los cargos se mueven colectivamente, más bien como lo harían en un interruptor electrónico artificial basado en transistores ".
El equipo de la UW creó WTe 2 monocapas de su forma cristalina 3-D, que fue cultivado por los coautores Jiaqiang Yan en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y Zhiying Zhao en la Universidad de Tennessee, Knoxville. Luego, el equipo de la UW, trabajando en una caja de aislamiento sin oxígeno para evitar el WTe 2 de degradante, usó Scotch Tape para exfoliar láminas delgadas de WTe 2 del cristal:una técnica ampliamente utilizada para aislar el grafeno y otros materiales bidimensionales. Con estas sábanas aisladas podrían medir sus propiedades físicas y químicas, lo que llevó al descubrimiento de las características ferroeléctricas.
WTe 2 es el primer material 2-D exfoliado que se sabe que se somete a conmutación ferroeléctrica. Antes de este descubrimiento, los científicos solo habían visto conmutaciones ferroeléctricas en aisladores eléctricos. Pero WTe 2 no es un aislante eléctrico; en realidad es un metal, aunque no muy bueno. WTe 2 también mantiene la conmutación ferroeléctrica a temperatura ambiente, y su conmutación es confiable y no se degrada con el tiempo, a diferencia de muchos materiales ferroeléctricos tridimensionales convencionales, según Cobden. Estas características pueden hacer que WTe 2 un material prometedor para los más pequeños, Aplicaciones tecnológicas más robustas que otros compuestos ferroeléctricos.
"La combinación única de características físicas que vimos en WTe 2 es un recordatorio de que se pueden observar todo tipo de fenómenos nuevos en materiales 2-D, "dijo Cobden.
La conmutación ferroeléctrica es el segundo gran descubrimiento que Cobden y su equipo han hecho sobre WTe monocapa 2 . En un artículo de 2017 en Física de la naturaleza , el equipo informó que este material también es un "aislante topológico, "el primer material 2-D con esta propiedad exótica.
En un aislante topológico, Las funciones de onda de los electrones (resúmenes matemáticos de sus estados mecánicos cuánticos) tienen una especie de giro intrínseco. Gracias a la dificultad de eliminar este giro, Los aisladores topológicos podrían tener aplicaciones en la computación cuántica, un campo que busca explotar las propiedades mecánicas cuánticas de los electrones. átomos o cristales para generar una potencia informática que es exponencialmente más rápida que la tecnología actual. El descubrimiento del equipo de la Universidad de Washington también se derivó de las teorías desarrolladas por David J. Thouless, un profesor emérito de física de la Universidad de Washington que compartió el Premio Nobel de Física de 2016 en parte por su trabajo sobre topología en el ámbito 2-D.
Cobden y sus colegas planean seguir explorando WTe monocapa 2 para ver qué más pueden aprender.
"Todo lo que hemos medido hasta ahora sobre WTe 2 tiene algo de sorpresa, ", dijo Cobden." Es emocionante pensar en lo que podríamos encontrar a continuación ".
