Ultradunne materialen gemaakt van een enkele laag atomen hebben de aandacht van wetenschappers getrokken sinds de ontdekking van het eerste dergelijke materiaal - grafeen - ongeveer 17 jaar geleden. Onder andere vorderingen sindsdien, onderzoekers, waaronder die van een baanbrekend laboratorium aan het MIT, hebben ontdekt dat het stapelen van afzonderlijke vellen van de 2D-materialen, en soms draaien ze in een kleine hoek ten opzichte van elkaar, kan ze nieuwe eigenschappen geven, van supergeleiding tot magnetisme.

Nu hebben MIT-fysici van hetzelfde lab en collega's precies dat gedaan met boornitride, bekend als "wit grafeen", gedeeltelijk omdat het een atomaire structuur heeft die lijkt op zijn beroemde neef. Het team heeft aangetoond dat wanneer twee enkele vellen boornitride parallel aan elkaar worden gestapeld, het materiaal wordt ferro-elektrisch, waarin positieve en negatieve ladingen in het materiaal spontaan naar verschillende kanten gaan, of palen. Bij het aanleggen van een extern elektrisch veld, die ladingen wisselen van kant, het omkeren van de polarisatie. belangrijk, dit alles gebeurt bij kamertemperatuur.

Het nieuwe materiaal, die werkt via een mechanisme dat totaal verschilt van bestaande ferro-elektrische materialen, kan veel toepassingen hebben.

"Er zijn al grote variëteiten van fysieke eigenschappen ontdekt in verschillende 2D-materialen. Nu kunnen we het ferro-elektrische boornitride gemakkelijk stapelen met andere materiaalfamilies om opkomende eigenschappen en nieuwe functionaliteiten te genereren, " zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde en leider van het werk, die werd gerapporteerd in het tijdschrift Science. Jarillo-Herrero is ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory.

Naast Jarillo-Herrero, andere auteurs van het artikel zijn Kenji Yasuda, een MIT postdoctoraal onderzoeker; Xirui Wang, een MIT-afgestudeerde student natuurkunde, en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Potentiële toepassingen

Onder de mogelijke toepassingen van het nieuwe ultradunne ferro-elektrische materiaal, "een opwindende mogelijkheid is om het te gebruiken voor een grotere geheugenopslag, " zegt Yasuda, hoofdauteur van het Science paper. Dat komt omdat het veranderen van de polarisatie van het materiaal kan worden gebruikt om enen en nullen te coderen - digitale informatie - en die informatie zal in de loop van de tijd stabiel zijn. Het zal niet veranderen tenzij er een elektrisch veld wordt aangelegd. In de Science-paper rapporteert het team een ​​proof-of-principle-experiment dat deze stabiliteit aantoont.

Omdat het nieuwe materiaal slechts miljardsten van een meter dik is - het is een van de dunste ferro-elektriciteit ooit gemaakt - zou het ook een veel dichtere computergeheugenopslag mogelijk maken.

Het team ontdekte verder dat het draaien van de parallelle vellen boornitride onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar resulteerde in nog een ander "compleet nieuw type ferro-elektrische toestand, " zegt Yasuda. Deze algemene benadering, bekend als twistronics, werd ontwikkeld door de Jarillo-Herrero-groep, die het gebruikte om onconventionele supergeleiding in grafeen te bereiken.

Nieuwe natuurkunde

Het nieuwe ultradunne ferro-elektrische materiaal is ook opwindend omdat het nieuwe fysica omvat. Het mechanisme achter hoe het werkt, is compleet anders dan dat van conventionele ferro-elektrische materialen.

zegt Yasuda, "De ferro-elektrische omschakeling buiten het vlak vindt plaats door de glijdende beweging in het vlak tussen twee boornitrideplaten. Deze unieke koppeling tussen verticale polarisatie en horizontale beweging wordt mogelijk gemaakt door de laterale stijfheid van boornitride."

Naar andere ferro-elektriciteit

Yasuda merkt op dat andere nieuwe ferro-elektriciteit zou kunnen worden geproduceerd met dezelfde techniek als beschreven in Science. "Onze methode om een ​​niet-ferro-elektrisch uitgangsmateriaal om te zetten in een ultradun ferro-elektrisch is van toepassing op andere materialen met atomaire structuren vergelijkbaar met boornitride, zodat we de familie van ferro-elektriciteit enorm kunnen uitbreiden. Er bestaan ​​tegenwoordig nog maar een paar ultradunne ferro-elektriciteit, " zegt hij. De onderzoekers werken momenteel aan dat doel en hebben een aantal veelbelovende resultaten geboekt.

Het Jarillo-Herrero-lab is een pionier in het manipuleren en verkennen van ultradunne, tweedimensionale materialen zoals grafeen. Hoe dan ook, de omzetting van ultradun boornitride in een ferro-elektrisch was onverwacht.

Zegt Xirui Wang:

"Ik herinner me nog dat we de metingen aan het doen waren en we een ongewone sprong in de gegevens zagen. We besloten dat we het experiment opnieuw moesten doen, en toen we het keer op keer deden, bevestigden we dat er iets nieuws gebeurde."