Teóricos cuánticos de la Universidad de Columbia Británica han propuesto un nuevo enfoque para estudiar el apilamiento de ferroelectricidad (polarización eléctrica espontánea) en materiales en capas bidimensionales cultivados en laboratorio.
Los materiales ferroeléctricos son únicos en su capacidad de "recordar" su nuevo estado después de que se elimina el campo eléctrico, lo que los hace útiles en aplicaciones que incluyen tecnología de células solares y dispositivos de memoria compactos.
"Hemos estado aprendiendo en los últimos años que la geometría cuántica subyace a una sorprendente gama de propiedades observables de los materiales", dijo el Dr. Marcel Franz, subdirector científico de la UBC Blusson QMI y profesor del Departamento de Física y Astronomía. "Este trabajo añade una nueva entrada importante a la creciente lista de fenómenos que pueden dilucidarse utilizando este fascinante enfoque geométrico."
La ferroelectricidad es una propiedad que permite que los materiales tengan una polarización eléctrica incorporada. Los materiales ferroeléctricos tienen una polarización conmutable que puede controlarse mediante un campo eléctrico, mientras que los ferroeléctricos apilables se forman ensamblando dos capas no polares atómicamente delgadas que crean polarización a través de su forma especial de apilamiento.
"La parte más emocionante de nuestro descubrimiento es que la física subyacente detrás del apilamiento de ferroelectricidad puede, de hecho, entenderse como una propiedad geométrica", dijo el Dr. Benjamin Zhou, becario postdoctoral de UBC Blusson QMI, autor principal del estudio publicado en la revista Cartas de revisión física .
"Para establecer una conexión significativa entre el apilamiento de ferroelectricidad y la geometría, tuvimos que pasar por un análisis detallado del modelo y cálculos numéricos rigurosos para diferentes tipos de materiales ferroeléctricos, como bicapas de panal, bicapa romboédrica de disulfuro de molibdeno (3R-MoS2 ) y ditelururo de tungsteno bicapa (WTe2 ),", afirmó el Dr. Zhou. "Los resultados confirman que nuestro enfoque geométrico funciona bien para todos estos materiales".
Hasta ahora, los científicos han estudiado el apilamiento de materiales ferroeléctricos de dos maneras:análisis de simetría, que determina si el material puede ser polar, y enfoques computacionales que proporcionan la magnitud de la polarización. Sin embargo, estos métodos tienen limitaciones a la hora de describir la solidez de la polarización.
El nuevo enfoque geométrico cuántico permite a los investigadores observar las propiedades de polarización como una característica geométrica del modelo, que describen mediante una representación visual de un vector que se mueve sobre una esfera.
"Para cada material ferroeléctrico apilado, la trayectoria de su correspondiente vector unitario a través de la esfera es única, lo que nos permite identificar fácilmente cuán robusta puede ser la polarización y predecir qué tipos de materiales pueden exhibir una polaridad fuerte", dijo el Dr. Zhou. "Este descubrimiento nos proporciona una nueva y poderosa lente para analizar la física subyacente de los ferroeléctricos".
El estudio se inspiró en el trabajo experimental anterior dirigido por el investigador de Blusson QMI, el Dr. Ziliang Ye, publicado en Nature Photonics. , donde Zhou y Franz contribuyeron a la explicación teórica. Los resultados demostrados por el grupo de Ye en 2022 estuvieron entre los primeros experimentos en el mundo en lograr una polarización ferroeléctrica espontánea mediante un orden de apilamiento diseñado entre capas atómicas.
"La teoría moderna de la polarización explica los ferroeléctricos a granel utilizando el concepto de fase de Berry, lo que resulta complicado de abordar al apilar ferroeléctricos en el límite 2D. Nuestro enfoque geométrico reconecta el origen de la polarización en los ferroeléctricos 2D con el concepto de fase de Berry", dijo Vedangi Pathak, un doctorado. estudiante del grupo de Franz que fue coautor del estudio.
"Nuestro trabajo proporciona un marco muy simple que cualquier persona con experiencia en física puede utilizar en su investigación."
