Op het gebied van de materiaalkunde worden de verschijnselen polarisatie en polariteit traditioneel in verband gebracht met isolatoren. Stel je echter een scenario voor waarin deze kenmerken in metalen kunnen worden geïnduceerd, waardoor mogelijk de energieverliezen die aan halfgeleiders worden toegeschreven, worden beperkt en de levensduur van batterijen die in elektronische apparaten zijn geïntegreerd, wordt verlengd.

Een recente doorbraak die is bereikt door de gezamenlijke inspanningen van onderzoekers in Zuid-Korea is de ontdekking van een methode om polarisatie en polariteitstoestanden binnen metalen te induceren en te beheersen. Hun onderzoek werd gepubliceerd in Nature Physics op 17 januari 2024.

Vrije elektronen in metalen vertonen een onbeperkte beweging, waardoor het moeilijk wordt om ze in specifieke richtingen uit te lijnen om polarisatie of polariteitstoestanden te induceren. Bovendien heeft de symmetrische structuur aan beide uiteinden van metaalkristallen historisch gezien problemen opgeleverd bij het induceren van deze elektrische effecten.

Het onderzoeksteam gebruikte flexo-elektrische velden om polarisatie- en polariteitstoestanden in metalen te implementeren. Dit type veld ontstaat wanneer het oppervlak van een object een niet-uniforme vervorming ondergaat, waardoor de ladingsbeweging en de elektrische eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd door de roosterstructuur van metalen op subtiele wijze te veranderen.

Het team oefende externe druk uit op het veelgebruikte strontiumruthenaat (SrRuO₃ ) op het gebied van elektronische componenten en halfgeleiders, waarbij een flexo-elektrisch veld wordt gegenereerd. Dit metaaloxide, gekenmerkt door heteroepitaxy, waarbij kristallen van strontium- en rutheniumoxide met verschillende vormen in dezelfde richting groeien, bezit een centrosymmetrische structuur.

Het flexo-elektrische veld veranderde de elektronische interacties en roosterstructuur binnen strontiumruthenaat, wat leidde tot een succesvolle inductie van polarisatie in het metaal, wat een transformatie in de elektrische en mechanische eigenschappen veroorzaakte en de voorheen centrale symmetrische structuur doorbrak. Door gebruik te maken van flexo-elektrische polarisatie en controle van een ferromagnetisch metaal heeft het onderzoeksteam met succes het mysterie rond de implementatie van polarisatie en polariteit in metallische stoffen ontrafeld.

De hoofdonderzoeker van het onderzoek, professor Daesu Lee van de afdeling natuurkunde van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH), verklaarde:"Wij zijn de eerste onderzoekers die de universele implementatie van polariteitstoestanden in metallische stoffen verifiëren. Ik heb goede hoop dat de bevindingen uit deze studie zal nuttig blijken bij het vervaardigen van zeer efficiënte apparaten op het gebied van halfgeleiders en elektrische velden."

Meer informatie: Wei Peng et al, Flexo-elektrische polarisatie en controle van een ferromagnetisch metaal, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02333-8

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie