Het grote publiek zou de 21e eeuw kunnen zien als een tijdperk van revolutionaire technologische platforms, zoals smartphones of sociale media. Maar voor veel wetenschappers deze eeuw is het tijdperk van een ander type platform:tweedimensionale materialen, en hun onverwachte geheimen.

Deze 2D-materialen kunnen worden vervaardigd in kristallijne platen zo dun als een enkele monolaag, slechts één of enkele atomen dik. Binnen een monolaag, elektronen zijn beperkt in hoe ze kunnen bewegen:zoals stukken in een bordspel, ze kunnen van voren naar achteren bewegen, van links naar rechts of diagonaal, maar niet omhoog of omlaag. Deze beperking maakt monolagen functioneel tweedimensionaal.

Het 2D-rijk legt eigenschappen bloot die zijn voorspeld door de kwantummechanica - de op waarschijnlijkheidsgolven gebaseerde regels die ten grondslag liggen aan het gedrag van alle materie. Sinds grafeen - de eerste monolaag - debuteerde in 2004, wetenschappers hebben veel andere 2D-materialen geïsoleerd en aangetoond dat ze unieke fysische en chemische eigenschappen hebben die een revolutie teweeg kunnen brengen in computergebruik en telecommunicatie, onder andere velden.

Voor een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Washington, de 2-D vorm van een metaalverbinding - wolfraam ditelluride, of WTe ₂ - is een schare van kwantumonthullingen. In een paper die op 23 juli online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , onderzoekers rapporteren hun laatste ontdekking over WTe ₂ :Zijn 2D-vorm kan "ferro-elektrische omschakeling" ondergaan. Ze ontdekten dat wanneer twee monolagen worden gecombineerd, de resulterende "dubbellaag" ontwikkelt een spontane elektrische polarisatie. Deze polarisatie kan worden omgedraaid tussen twee tegengestelde toestanden door een aangelegd elektrisch veld.

"Het vinden van ferro-elektrische schakeling in dit 2D-materiaal was een complete verrassing, " zei senior auteur David Cobden, een UW hoogleraar natuurkunde. "We waren er niet naar op zoek, maar we zagen vreemd gedrag, en nadat we een hypothese hadden gemaakt over de aard ervan, ontwierpen we enkele experimenten die dit mooi bevestigden."

Materialen met ferro-elektrische eigenschappen kunnen toepassingen hebben in geheugenopslag, condensatoren, RFID-kaarttechnologieën en zelfs medische sensoren.

"Zie ferro-elektriciteit als de schakelaar van de natuur, " zei Cobden. "De gepolariseerde toestand van het ferro-elektrische materiaal betekent dat je een ongelijke verdeling van ladingen in het materiaal hebt - en wanneer de ferro-elektrische omschakeling plaatsvindt, de ladingen bewegen samen, eerder zoals ze zouden doen in een kunstmatige elektronische schakelaar op basis van transistors."

Het UW-team heeft WTe . gemaakt ₂ monolagen uit de 3D-kristallijne vorm, die werd gekweekt door co-auteurs Jiaqiang Yan aan het Oak Ridge National Laboratory en Zhiying Zhao aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Dan het UW-team, werken in een zuurstofvrije isolatiebox om WTe . te voorkomen ₂ van vernedering, gebruikte Scotch Tape om dunne vellen WTe . te exfoliëren ₂ van het kristal - een techniek die veel wordt gebruikt om grafeen en andere 2D-materialen te isoleren. Met deze bladen geïsoleerd, ze konden hun fysische en chemische eigenschappen meten, wat leidde tot de ontdekking van de ferro-elektrische eigenschappen.

WTe ₂ is het eerste geëxfolieerde 2D-materiaal waarvan bekend is dat het ferro-elektrische schakeling ondergaat. Vóór deze ontdekking wetenschappers hadden alleen ferro-elektrische schakelingen gezien in elektrische isolatoren. Maar WTe ₂ is geen elektrische isolator; het is eigenlijk een metaal, hoewel niet een heel goede. WTe ₂ handhaaft ook de ferro-elektrische schakeling bij kamertemperatuur, en het schakelen ervan is betrouwbaar en verslechtert niet na verloop van tijd, in tegenstelling tot veel conventionele 3D ferro-elektrische materialen, volgens Cobden. Deze kenmerken kunnen WTe ₂ een veelbelovend materiaal voor kleinere, robuustere technologische toepassingen dan andere ferro-elektrische verbindingen.

"De unieke combinatie van fysieke kenmerken die we zagen in WTe ₂ herinnert eraan dat er allerlei nieuwe fenomenen kunnen worden waargenomen in 2D-materialen, ' zei Cobden.

Ferro-elektrisch schakelen is de tweede grote ontdekking die Cobden en zijn team hebben gedaan over monolaag WTe ₂ . In een paper uit 2017 in Natuurfysica , het team meldde dat dit materiaal ook een "topologische isolator is, " het eerste 2D-materiaal met deze exotische eigenschap.

In een topologische isolator, de golffuncties van de elektronen - wiskundige samenvattingen van hun kwantummechanische toestanden - hebben een soort ingebouwde draai. Dankzij de moeilijkheid om deze draai te verwijderen, topologische isolatoren kunnen toepassingen hebben in kwantumcomputing - een veld dat de kwantummechanische eigenschappen van elektronen wil exploiteren, atomen of kristallen om rekenkracht te genereren die exponentieel sneller is dan de huidige technologie. De ontdekking van het UW-team kwam ook voort uit theorieën ontwikkeld door David J. Thouless, een UW professor emeritus in de natuurkunde die de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 deelde, gedeeltelijk voor zijn werk aan topologie in het 2D-rijk.

Cobden en zijn collega's zijn van plan om monolaag WTe . te blijven verkennen ₂ om te zien wat ze nog meer kunnen leren.

"Alles wat we tot nu toe hebben gemeten over WTe ₂ heeft een verrassing in zich, "zei Cobden. "Het is spannend om te bedenken wat we hierna zouden kunnen vinden."