Cercetătorii acţionează un comutator pentru controlul electric al simetriei cristalului

Prin împreunarea materialelor potrivite, colaborarea condusă de Cornell a folosit pentru prima dată tensiunea pentru a porni și opri simetria cristalului unui material, controlându-i astfel proprietățile electronice, optice și alte proprietăți – o descoperire care ar putea avea un impact profund asupra construcției viitoare. dispozitive de memorie și logice.

Lucrarea grupului, „Nonvolatile Electric Field Control in Reflexive Symmetry”, a fost publicată pe 19 decembrie 2022, în materialele naturii. Co-autorii lucrării sunt fostul cercetător postdoctoral Yu Zun Shao, acum profesor la Universitatea din California de Sud, și Lucas Carita de la Universitatea din California, Berkeley.

Această tehnologie este posibilă profitând de concurența dintre aranjamente atomice Fabricat din două materiale: ferită de bismut și scandat de terbiu.

„Ne place să organizăm un meci de box între diferite materiale care concurează între ele, iar la interfața lor au o luptă fascinantă”, a spus coautorul principal Daryl Schlom, profesor de chimie industrială Herbert Fisk Johnson la Cornell Engineering. .

„Facem fiecare substanță mică clasele atomice Grosi, astfel încât să poată avea un efect mare unul asupra celuilalt, apoi faceți ușoare ajustări la grosimea straturilor pentru a le face să se potrivească. Atunci când niciun strat nu domină și nu suferă perturbări semnificative din partea celorlalte materiale, se pot întâmpla lucruri interesante. Înființând acea frustrare, un remorcher sau un meci de box, se dovedește că fenomenul în curs de dezvoltare este controlul electric al simetriei, care este nemaiauzit și suntem cu adevărat încântați de asta.”

Echipa de epitaxie Schlom a folosit fascicule moleculare pentru a crea un sandwich de straturi alternative de ferită de bismut;– feroelectricitate cu o polarizare mai mare decât orice material cunoscut – și scandal de terbiu, care nu este feroelectric. Apoi, Shaw și co-autorul David Mueller, profesor de inginerie Samuel B. Eckert, au folosit un detector de matrice de pixeli cu microscopie electronică (EMPAD) – care poate vedea atomii la rezoluție standard – pentru a înțelege structura atomică a straturilor sandwich-ului și polara și polara lor. fazele nepolare.

„Imaginirea viguroasă a acestui material este foarte dificilă, deoarece artefactele obișnuite apar atunci când atomii nu se aliniază perfect de-a lungul coloanei”, a spus Shao. „A trebuit să dezvoltăm un nou mod de imagistică folosind EMPAD pentru a separa informațiile structurale de acele erori”.

Un grup condus de co-autorul principal Ramamoorthy Ramesh de la UC Berkeley și Lawrence Berkeley National Laboratory a determinat apoi cum să-l pornească și să se oprească electric. simetria reflexiei.

Controlul unei astfel de simetrii este o caracteristică importantă deoarece comportamentul tuturor solidelor este determinat de aranjamentul specific al atomilor lor. Simetria reflexivă este în principiu proprietatea unui obiect care poate fi întors pe dos fără a-și schimba proprietățile, cum ar fi o pungă sau un balon, în timp ce o mănușă stângă inversată devine dreapta și simetria sa este ruptă.

În general, simetria afectează proprietățile. Deci, pentru a putea controla simetria folosind câmp electric Shalom a spus că este foarte puternic. „Și poate afecta microelectronica de putere redusă în zona logicii și a memoriei. Pentru că acele lucruri nu uită atunci când opriți tensiunea. Nu este volatil. Așa că se trezește și știe exact care este starea sa.”

Ferita de bismut este în mod normal un izolator, dar aplicarea unui câmp electric unei superrețele îi schimbă rezistența cu cinci ordine de mărime, transformându-l într-un semiconductor. Această tehnică generează, de asemenea, modificări în fotorăspunsul neliniar al materialului cu mai mult de trei ordine de mărime și poate „șterge” polarizarea acestuia.

Până acum, tensiunea aproape întotdeauna rupea sau înlătura simetria. Cercetătorii spun că este fără precedent să se găsească un sistem care să îl poată porni sau dezactiva.

Echipa speră să controleze electric simetrie Va duce la descoperiri în alte domenii.

„Feritul Bismith este un feromagnet electric și este un antimagnet slab. Deci le are pe amândouă și este într-adevăr rar în natură”, a spus Shao. „Acum că putem porni și opri energia feroelectrică, ne gândim: putem activa și opri și magnetismul?”