La investigación de la Universidad de Tel Aviv revela cristales bidimensionales que exhiben un control único de distintos pasos de potencial eléctrico al deslizar capas atómicamente delgadas una contra la otra. Los interruptores eléctricos consecutivos, en última instancia delgados, informados son un recurso muy deseado para la tecnología de la información y las nuevas aplicaciones electromecánicas y optomecánicas. La investigación, ahora publicada en la revista Nature, fue realizada por el Dr. Swarup Deb, M.Sc. el estudiante Noam Raab, el Prof. Moshe Goldstein y el Dr. Moshe Ben Shalom, todos de la Escuela de Física y Astronomía Raymond & Beverly Sackler de la Universidad de Tel Aviv, y el Dr. Wei Cao, el Prof. Michael Urbakh y el Prof. Oded Hod de la Escuela de Química de la TAU, y el Prof. Leeor Kronik de la Weizmann Inst.

El Dr. Moshe Ben Shalom, director del Grupo de Materia en Capas Cuánticas, dice : «Estamos fascinados por cómo se ordenan los átomos en una materia condensada, cómo eligen los electrones mezclarse entre los átomos y si un estímulo externo puede manipular el orden atómico y la distribución de carga eléctrica.

Responder a estas preguntas es un desafío debido a la enorme cantidad de átomos y electrones, incluso en los dispositivos más pequeños de nuestras tecnologías más avanzadas. Uno de los trucos es estudiar cristales, que contienen unidades mucho más pequeñas, cada una de las cuales incluye solo unos pocos átomos y electrones. Si bien los cristales están hechos de muchas unidades idénticas, repetidas periódicamente en el espacio, sus propiedades se deducen por completo de la simetría de una celda unitaria y los detalles de los pocos átomos que captura. Y aún así, es un desafío comprender y predecir estos detalles, ya que los electrones se distribuyen sobre todos los átomos simultáneamente según lo determinado por sus interacciones mecánicas cuánticas conjuntas».

Una forma de sondear el orden atómico y la distribución de carga electrónica es romper la simetría de las celdas para inducir campos eléctricos internos. Los cristales con campos eléctricos internos permanentes se denominan cristales polares. En 2020, el mismo laboratorio en TAU informó sobre un nuevo cristal polar al apilar dos capas de un cristal de van der Waals, con cada capa de solo un átomo de espesor.

El orden natural en el que el Dr. Ben Shalom. recapitula : «estos cristales crecen de forma simétrica, con cada capa sucesiva girada 180 grados en comparación con la anterior. Aquí, un tipo de átomos se coloca precisamente encima del otro tipo. Por el contrario, los cristales artificiales ensamblados en el laboratorio no giran, lo que resulta en un ligero cambio entre las capas, alejándose así de las configuraciones completamente simétricas. Esta estructura cristalina no simétrica fuerza a los electrones a saltar de una capa a otra, formando un campo eléctrico permanente entre ellos. Crucialmente, el grupo descubrió que aplicar energía eléctrica externa campos hace que las capas se deslicen hacia adelante y hacia atrás para hacer coincidir la dirección del salto del electrón con la orientación del campo externo. Llamaron a los fenómenos «ferroelectricidad interfacial» y señalaron el movimiento de pared de dominio único que gobierna la respuesta «Slide-Tronics».

El Dr. Ben Shalom elabora : «La respuesta ferroeléctrica que descubrimos está en un sistema de dos átomos de espesor, el más delgado posible, y por lo tanto es muy atractivo para las tecnologías de la información que se basan en túneles electrónicos cuánticos. Ahora estamos desarrollando tales dispositivos de túneles en un compañía de fase sigilosa llamada Slide-Tro LTD, establecida con la Universidad y un inversionista externo. Creemos que una gran cantidad de dispositivos, desde electrónica de baja potencia hasta memorias no volátiles robustas, son factibles con esta tecnología. Desde una perspectiva científica fundamental, el descubrimiento nos señaló nuevas preguntas: ¿Cómo se ordena la carga eléctrica? ¿Y cómo crece el potencial eléctrico si apilamos capas adicionales para romper o restaurar aún más la simetría de los cristales? En otras palabras, en lugar de adelgazar los cristales como se exploró ampliamente para fecha, ahora podríamos ensamblar nuevos cristales polares, capa por capa, y sondear el potencial eléctrico en cualquier escalón de la escalera cristalina».

En el experimento, los investigadores compararon dominios gruesos de unas pocas capas adyacentes con diferentes cambios hacia adelante y hacia atrás entre las distintas capas, lo que resultó en diferentes orientaciones de polarización. Por ejemplo, en cuatro capas (con tres interfaces polares), hay cuatro configuraciones permitidas: todas apuntando hacia arriba ↑↑↑, una hacia abajo y dos hacia arriba ↑↑↓, dos hacia abajo y una hacia arriba ↑↓↓, y todas hacia abajo ↓↓↓.

«Estábamos emocionados de encontrar una escalera de potenciales eléctricos distintos que están separados por pasos casi uniformes, de modo que cada paso pueda usarse como una unidad de información independiente», dice Noam Rab, un estudiante que realiza las mediciones. «Esto es muy diferente de cualquier película polar delgada conocida hasta la fecha, donde la magnitud de la polarización es muy sensible a muchos efectos superficiales y donde la orientación polar cambia a la vez entre dos potenciales solamente». Además, enfatiza el Dr. Swarup Deb, uno de los principales autores del artículo : «Descubrimos que los campos eléctricos internos siguen siendo sustanciales incluso si agregamos electrones externos al sistema para que sea tanto conductor como polar. Por lo general, la carga externa bloquea el polarización interna, pero en los ferroeléctricos interfaciales actuales, los electrones adicionales solo podrían fluir a lo largo de las capas sin saltar demasiado entre ellas, para silenciar el campo eléctrico fuera del plano». El Dr. Wei Cao, uno de los otros autores principales, agrega : «Con la ayuda de cálculos teóricos basados ​​en los principios de la mecánica cuántica, identificamos la distribución precisa de la carga polar y la carga conductora. La primera está altamente confinada a las interfaces entre los capas y por lo tanto protegido de perturbaciones externas.

Los cálculos nos permitieron predecir qué cristales son más resistentes a la carga adicional y cómo diseñar una escalera-ferroeléctrica aún mejor».

«Las direcciones más probables de una investigación futura que vemos en el futuro es la manipulación de más órdenes electrónicos como el magnetismo y la superconductividad mediante el deslizamiento de diferentes simetrías de cristal para formar nuevos multiferroicos de escalera».