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A pesquisa da Universidade de Tel Aviv revela cristais bidimensionais exibindo um controle único de etapas distintas de potencial elétrico, deslizando camadas atomicamente finas umas contra as outras. Os interruptores elétricos consecutivos e finos relatados são um recurso altamente desejado para tecnologia da informação e novas aplicações eletro e optomecânicas. A pesquisa, agora publicada na revista Natureza, foi conduzido pelo Dr. Swarup Deb, M.Sc. estudante Noam Raab, Prof. Moshe Goldstein e Dr. Moshe Ben Shalom, todos da Escola de Física e Astronomia Raymond & Beverly Sackler da Universidade de Tel Aviv, e Dr. Wei Cao, Prof. Michael Urbakh e Prof. Escola de Química da TAU, e Prof. Leeor Kronik do Weizmann Inst.
Dr. Moshe Ben Shalom, chefe do Quantum Layered Matter Group, diz: “Estamos fascinados por como os átomos em uma ordem de matéria condensada, como os elétrons escolhem se misturar entre os átomos e se ou como estímulos externos podem manipular a ordem atômica e distribuição de carga elétrica.
Responder a essas perguntas é desafiador devido ao enorme número de átomos e elétrons, mesmo nos menores dispositivos de nossas tecnologias mais avançadas. Um dos truques é estudar os cristais, que contêm unidades muito menores, cada uma incluindo apenas alguns átomos e elétrons. Enquanto os cristais são feitos de muitas unidades idênticas, repetidas periodicamente no espaço, suas propriedades são inteiramente deduzidas da simetria de uma célula unitária e dos detalhes dos poucos átomos que ela captura. Ainda assim, é desafiador entender e prever esses detalhes, já que os elétrons se espalham por todos os átomos simultaneamente, conforme determinado por suas interações mecânicas quânticas conjuntas”.
Uma maneira de sondar a ordem atômica e a distribuição de carga eletrônica é quebrar a simetria das células para induzir campos elétricos internos. Cristais com campos elétricos internos permanentes são chamados de cristais polares. Em 2020, o mesmo laboratório da TAU relatou um novo cristal polar empilhando duas camadas de um cristal van der Waals, com cada camada com apenas um átomo de espessura.
A ordem natural em que o Dr. Ben Shalom. recapitula: “o crescimento desses cristais é simétrico, com cada camada sucessiva girando 180 graus em relação à anterior. Aqui, um tipo de átomo é posicionado precisamente acima do outro tipo. Por outro lado, os cristais artificiais montados no laboratório não são girados, resultando em um ligeiro deslocamento entre as camadas, afastando-se assim das configurações totalmente simétricas. Essa estrutura cristalina não simétrica força os elétrons a saltar de uma camada para outra, formando um campo elétrico permanente entre eles. Crucialmente, o grupo descobriu que a aplicação de eletricidade externa campos faz com que as camadas deslizem para frente e para trás para combinar a direção do salto do elétron com a orientação do campo externo. Eles chamaram o fenômeno de “ferroeletricidade interfacial” e apontaram o movimento único da parede de domínio que governa a resposta “Slide-Tronics”.
O Dr. Ben Shalom elabora: “A resposta ferroelétrica que descobrimos está em um sistema de dois átomos de espessura, o mais fino possível e, portanto, é altamente atraente para tecnologias de informação baseadas em tunelamento quântico eletrônico. Estamos agora desenvolvendo tais dispositivos de tunelamento em um empresa de fase furtiva chamada Slide-Tro LTD, estabelecida com a Universidade e um investidor externo. Acreditamos que uma grande variedade de dispositivos, desde eletrônicos de baixa potência até memórias robustas não voláteis, são viáveis com esta tecnologia. De uma perspectiva científica fundamental, a descoberta nos apontou para novas questões: Como a carga elétrica se ordena? E como o potencial elétrico cresce se empilharmos camadas adicionais para quebrar ou restaurar ainda mais a simetria dos cristais? data, agora poderíamos montar novos cristais polares, camada por camada, e sondar o potencial elétrico em qualquer degrau da escada cristalina.”
No experimento, os pesquisadores compararam domínios espessos de poucas camadas adjacentes com diferentes deslocamentos para frente/para trás entre as várias camadas, resultando em diferentes orientações de polarização. Por exemplo, em quatro camadas (com três interfaces polares), há quatro configurações permitidas: todas apontando para cima ↑↑↑, uma para baixo e duas para cima ↑↑↓, duas para baixo e uma para cima ↑↓↓ e todas para baixo ↓↓↓ .
“Ficamos empolgados ao encontrar uma escada de potenciais elétricos distintos que são separados por degraus quase iguais, de modo que cada degrau possa ser usado como uma unidade de informação independente”, diz Noam Rab, um estudante que conduz as medições. “Isso é muito diferente de qualquer filme fino polar conhecido até agora, onde a magnitude da polarização é muito sensível a muitos efeitos de superfície e onde a orientação polar muda de uma só vez entre apenas dois potenciais.” Além disso, enfatiza o Dr. Swarup Deb, um dos principais autores do artigo: “descobrimos que os campos elétricos internos permanecem substanciais mesmo se adicionarmos elétrons externos ao sistema para torná-lo tanto condutor quanto polar. polarização interna, mas nos atuais ferroelétricos interfaciais, os elétrons extras só poderiam fluir ao longo das camadas sem pular muito entre elas, para silenciar o campo elétrico fora do plano.” O Dr. Wei Cao, um dos outros autores importantes, acrescenta: “Com a ajuda de cálculos teóricos baseados nos princípios da mecânica quântica, identificamos a distribuição precisa da carga polar e da carga condutora. A primeira é altamente confinada às interfaces entre as camadas e, portanto, protegidos de perturbações externas.
Os cálculos nos permitiram prever quais cristais são mais resistentes à carga extra e como projetar Ladder-Ferroelectrics ainda melhores.”
“As direções mais prováveis de uma pesquisa futura que vemos à frente é manipular mais ordens eletrônicas, como magnetismo e supercondutividade, deslizando diferentes simetrias de cristal para formar novos Ladder-Multiferroics”.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Tel Aviv. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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