Les théoriciens quantiques de l’Université de la Colombie-Britannique ont proposé une nouvelle approche pour étudier la ferroélectricité empilée (polarisation électrique spontanée) dans des matériaux bidimensionnels en couches cultivés en laboratoire.
Les matériaux ferroélectriques sont uniques dans leur capacité à « mémoriser » leur nouvel état une fois le champ électrique supprimé, ce qui les rend utiles dans des applications telles que la technologie des cellules solaires et les dispositifs à mémoire compacte.
« Nous avons appris ces dernières années que la géométrie quantique est à la base d’une gamme surprenante de propriétés observables des matériaux », a déclaré le Dr Marcel Franz, directeur scientifique adjoint à l’UBC Blusson QMI et professeur au Département de physique et d’astronomie. « Ce travail ajoute une nouvelle entrée importante à la liste croissante de phénomènes pouvant être élucidés à l’aide de cette approche géométrique fascinante. »
La ferroélectricité est une propriété qui permet aux matériaux d’avoir une polarisation électrique intégrée. Les matériaux ferroélectriques ont une polarisation commutable qui peut être contrôlée par un champ électrique, tandis que les ferroélectriques empilés sont formés en assemblant deux couches non polaires atomiquement minces qui créent une polarisation grâce à leur mode d’empilement spécial.
« La partie la plus intéressante de notre découverte est que la physique sous-jacente à la ferroélectricité empilée peut, en fait, être comprise comme une propriété géométrique », a déclaré le Dr Benjamin Zhou, chercheur postdoctoral à l’UBC Blusson QMI et auteur principal de l’étude publié dans la revue Lettres d’examen physique.
« Pour établir le lien significatif entre l’empilement de ferroélectricité et la géométrie, nous avons dû procéder à une analyse détaillée du modèle et à des calculs numériques rigoureux pour différents types de matériaux ferroélectriques tels que les bicouches en nid d’abeilles, le bisulfure de molybdène bicouche rhomboédrique (3R-MoS2) et le ditellurure de tungstène bicouche (WTe2). ) », a déclaré le Dr Zhou. « Les résultats confirment que notre approche géométrique fonctionne bien pour tous ces matériaux. »
Jusqu’à présent, les scientifiques ont étudié l’empilement de matériaux ferroélectriques de deux manières : l’analyse de symétrie, qui détermine si le matériau peut être polaire, et des approches informatiques qui fournissent l’ampleur de la polarisation. Cependant, ces méthodes sont limitées dans la description de la robustesse de la polarisation.
La nouvelle approche géométrique quantique permet aux chercheurs d’examiner les propriétés de polarisation en tant que caractéristique géométrique du modèle, qu’ils décrivent à l’aide d’une représentation visuelle d’un vecteur se déplaçant sur une sphère.
« Pour chaque matériau ferroélectrique empilé, la trajectoire de son vecteur unitaire correspondant à travers la sphère est unique, ce qui nous permet d’identifier facilement la robustesse de la polarisation et de prédire quels types de matériaux peuvent présenter une forte polarité », a déclaré le Dr Zhou. « Cette découverte nous offre une nouvelle perspective puissante pour étudier la physique sous-jacente des ferroélectriques. »
L’étude s’est inspirée de travaux expérimentaux antérieurs dirigé par le chercheur de Blusson QMI, le Dr Ziliang Ye, publié dans Photonique naturelle, où Zhou et Franz ont contribué à l’explication théorique. Les résultats démontrés par le groupe de Ye en 2022 ont été parmi les premières expériences au monde à parvenir à une polarisation spontanée ferroélectrique via un ordre d’empilement conçu entre les couches atomiques.
« La théorie moderne de la polarisation explique les ferroélectriques massifs en utilisant le concept de phase de Berry, qui devient difficile à gérer pour empiler des ferroélectriques dans la limite 2D. Notre approche géométrique reconnecte l’origine de la polarisation dans les ferroélectriques 2D avec le concept de phase de Berry », a déclaré Vedangi Pathak, un doctorat. étudiant du groupe de Franz qui a co-écrit l’étude.
« Notre travail fournit un cadre très simple que toute personne ayant une formation en physique peut utiliser dans ses recherches. »
Plus d’information:
Benjamin T. Zhou et al, Origine géométrique quantique de la ferroélectricité à empilement hors plan, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.196801 Sur arXiv:. DOI : 10.48550/arxiv.2309.00728