Ferro-elektrische materialen zijn uniek in hun vermogen om hun nieuwe staat te ‘onthouden’ nadat het elektrische veld is verwijderd, waardoor ze bruikbaar zijn in toepassingen zoals zonneceltechnologie en compacte geheugenapparaten.

"We hebben de afgelopen jaren geleerd dat kwantumgeometrie ten grondslag ligt aan een verrassende reeks van waarneembare eigenschappen van materialen", zegt dr. Marcel Franz, plaatsvervangend wetenschappelijk directeur bij UBC Blusson QMI en professor bij de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde. "Dit werk voegt een belangrijke nieuwe bijdrage toe aan de groeiende lijst van verschijnselen die kunnen worden opgehelderd met behulp van deze fascinerende geometrische benadering."

Ferro-elektriciteit is een eigenschap die ervoor zorgt dat materialen een ingebouwde elektrische polarisatie hebben. Ferro-elektrische materialen hebben een schakelbare polarisatie die kan worden gecontroleerd door een elektrisch veld, terwijl gestapelde ferro-elektrische materialen worden gevormd door twee atomair dunne niet-polaire lagen samen te voegen die polarisatie creëren door hun speciale manier van stapelen.

"Het meest opwindende deel van onze ontdekking is dat de onderliggende fysica achter het stapelen van ferro-elektriciteit in feite kan worden begrepen als een geometrische eigenschap", zegt UBC Blusson QMI postdoctoraal collega Dr. Benjamin Zhou, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Om het zinvolle verband tussen het stapelen van ferro-elektriciteit en geometrie tot stand te brengen, moesten we gedetailleerde modelanalyses en rigoureuze numerieke berekeningen uitvoeren voor verschillende soorten ferro-elektrische materialen, zoals honingraatdubbellagen, rhombohedrale dubbellaags molybdeendisulfide (3R-MoS₂ ) en dubbellaags wolfraamditelluride (WTe₂ ),' zei Dr. Zhou. 'De resultaten bevestigen dat onze geometrische aanpak goed werkt voor al deze materialen.'

Tot nu toe hebben wetenschappers het stapelen van ferro-elektrische materialen op twee manieren bestudeerd:symmetrieanalyse, die bepaalt of het materiaal polair kan zijn, en computationele benaderingen die de omvang van de polarisatie bepalen. Deze methoden zijn echter beperkt in het beschrijven van de robuustheid van de polarisatie.

Dankzij de nieuwe kwantumgeometrische benadering kunnen de onderzoekers de polarisatie-eigenschappen beschouwen als een geometrisch kenmerk van het model, dat ze beschrijven met behulp van een visuele weergave van een vector die over een bol beweegt.

"Voor elk stapelend ferro-elektrisch materiaal is het traject van de overeenkomstige eenheidsvector over de bol uniek, waardoor we gemakkelijk kunnen identificeren hoe robuust de polarisatie kan zijn en kunnen voorspellen welke soorten materialen een sterke polariteit kunnen vertonen", aldus Dr. Zhou. "Deze ontdekking biedt ons een nieuwe, krachtige lens om de onderliggende fysica van ferro-elektriciteit te onderzoeken."

Het onderzoek is geïnspireerd op eerder experimenteel werk onder leiding van Blusson QMI-onderzoeker Dr. Ziliang Ye, gepubliceerd in Nature Photonics , waar Zhou en Franz hebben bijgedragen aan de theoretische verklaring. De resultaten die Ye's groep in 2022 demonstreerde, behoorden tot de eerste experimenten ter wereld die ferro-elektrische spontane polarisatie bereikten via een ontworpen stapelvolgorde tussen atomaire lagen.

"De moderne theorie van polarisatie verklaart bulk ferro-elektrische materialen met behulp van het Berry-faseconcept, wat lastig wordt om mee om te gaan voor het stapelen van ferro-elektrische materialen in de 2D-limiet. Onze geometrische benadering verbindt de oorsprong van polarisatie in 2D-ferro-elektrische materialen opnieuw met het Berry-faseconcept", zegt Vedangi Pathak, een Ph.D. student in de groep van Franz die co-auteur was van het onderzoek.

"Ons werk biedt een heel eenvoudig raamwerk dat iedereen met een natuurkundige achtergrond kan gebruiken in zijn onderzoek."