La recherche révèle les marches d’échelle les plus minces possibles constituées de potentiels électriques distincts

Le Dr Moshe Ben Shalom, responsable du Quantum Layered Matter Group, déclare : “Nous sommes fascinés par la manière dont les atomes dans un ordre de matière condensée, la manière dont les électrons choisissent de se mélanger entre les atomes et si ou comment un stimulus externe peut manipuler l’ordre atomique et la répartition des charges électriques.

Répondre à ces questions est difficile en raison du nombre énorme d’atomes et d’électrons, même dans les plus petits appareils de nos technologies les plus avancées. L’une des astuces consiste à étudier les cristaux, qui contiennent des unités beaucoup plus petites, chacune comprenant seulement quelques atomes et électrons. Alors que les cristaux sont constitués de nombreuses unités identiques, répétées périodiquement dans l’espace, leurs propriétés sont entièrement déduites de la symétrie de la cellule unitaire et des détails des quelques atomes qu’elle capture. Et pourtant, il est difficile de comprendre et de prédire ces détails puisque les électrons se répartissent simultanément sur tous les atomes, comme déterminé par leurs interactions mécaniques quantiques conjointes.”

Une façon de sonder l’ordre atomique et la distribution de charge électronique est de briser la symétrie des cellules pour induire des champs électriques internes. Les cristaux avec des champs électriques internes permanents sont appelés cristaux polaires. En 2020, le même laboratoire de TAU a signalé un nouveau cristal polaire en empilant deux couches d’un cristal de van der Waals, chaque couche n’ayant qu’un atome d’épaisseur.

L’ordre naturel dans lequel le Dr Ben Shalom. récapitule : “ces cristaux croissent de manière symétrique, chaque couche successive étant tournée de 180 degrés par rapport à la précédente. Ici, un type d’atomes est positionné précisément au-dessus de l’autre type. dans un léger décalage entre les couches, s’éloignant ainsi des configurations entièrement symétriques. Cette structure cristalline non symétrique oblige les électrons à sauter d’une couche à l’autre, formant un champ électrique permanent entre eux. fait glisser les couches d’avant en arrière pour correspondre à la direction du saut de l’électron avec l’orientation du champ externe. Ils ont nommé le phénomène “ferroélectricité interfaciale” et ont souligné le mouvement unique de la paroi du domaine qui régit la réponse “Slide-Tronics”.

Le Dr Ben Shalom précise : « La réponse ferroélectrique que nous avons découverte se trouve dans un système épais de deux atomes, le plus fin possible, et est donc très attrayante pour les technologies de l’information basées sur l’effet tunnel quantique électronique. Nous développons actuellement de tels dispositifs d’effet tunnel dans un société en phase furtive appelée Slide-Tro LTD, établie avec l’Université et un investisseur externe. Nous pensons qu’un large éventail d’appareils allant de l’électronique basse consommation aux mémoires non volatiles robustes sont réalisables avec cette technologie. D’un point de vue scientifique fondamental, la découverte nous a amenés à de nouvelles questions : comment la charge électrique s’ordonne-t-elle ? Et comment le potentiel électrique augmente-t-il si nous empilons des couches supplémentaires pour briser ou restaurer davantage la symétrie des cristaux ? En d’autres termes, au lieu d’amincir les cristaux comme cela a été largement exploré pour date, nous pourrions maintenant assembler de nouveaux cristaux polaires, couche par couche, et sonder le potentiel électrique à n’importe quelle étape de l’échelle cristalline.”

Dans l’expérience, les chercheurs ont comparé des domaines d’épaisseur de quelques couches adjacentes avec différents décalages avant/arrière entre les différentes couches, ce qui a entraîné différentes orientations de polarisation. Par exemple, dans quatre couches (avec trois interfaces polaires), il y a quatre configurations autorisées : toutes pointant vers le haut ↑↑↑, une vers le bas et deux vers le haut ↑↑↓, deux vers le bas et une vers le haut ↑↓↓, et toutes vers le bas ↓↓↓ .

“Nous étions ravis de trouver une échelle de potentiels électriques distincts séparés par des étapes presque égales, de sorte que chaque étape puisse être utilisée comme une unité d’information indépendante”, explique Noam Rab, un étudiant effectuant les mesures. “C’est très différent de n’importe quel film mince polaire connu à ce jour, où l’amplitude de polarisation est très sensible à de nombreux effets de surface et où l’orientation polaire bascule à la fois entre deux potentiels seulement.” En outre, souligne le Dr Swarup Deb, l’un des principaux auteurs de l’article : “nous avons constaté que les champs électriques internes restent substantiels même si nous ajoutons des électrons externes au système pour le rendre à la fois conducteur et polaire. En règle générale, la charge externe fait écran au polarisation interne, mais dans les ferroélectriques interfaciaux actuels, les électrons supplémentaires ne pouvaient que circuler le long des couches sans trop sauter entre elles, pour atténuer le champ électrique hors du plan.” Le Dr Wei Cao, l’un des autres auteurs principaux, ajoute : “Avec l’aide de calculs théoriques basés sur les principes de la mécanique quantique, nous avons identifié la distribution précise de la charge polaire et de la charge conductrice. La première est fortement confinée aux interfaces entre les couches et donc à l’abri des perturbations extérieures.

Les calculs nous ont permis de prédire quels cristaux sont les plus résistants à la charge supplémentaire et comment concevoir des échelles-ferroélectriques encore meilleures.”

“Les directions les plus probables d’une recherche future que nous voyons à l’avenir consistent à manipuler davantage d’ordres électroniques comme le magnétisme et la supraconductivité en faisant glisser différentes symétries cristallines pour former de nouveaux Ladder-Multiferroïques.”

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Université de Tel-Aviv. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.