Доктор Моше Бен Шалом, руководитель группы квантовой слоистой материи, говорит: "Мы очарованы тем, как атомы в конденсированном веществе упорядочены, как электроны выбирают смешивание между атомами и могут ли или как внешние раздражители манипулировать атомным порядком и распределением электрического заряда.

Ответить на эти вопросы непросто из-за огромного количества атомов и электронов даже в самых крошечных устройствах наших самых передовых технологий. Один из трюков заключается в изучении кристаллов, которые содержат гораздо меньшие единицы, каждая из которых включает всего несколько атомов и электронов. В то время как кристаллы состоят из множества идентичных элементов, периодически повторяющихся в пространстве, их свойства полностью выводятся из симметрии одной элементарной ячейки и деталей нескольких атомов, которые она захватывает. И все же сложно понять и предсказать эти детали, поскольку электроны распространяются по всем атомам одновременно, что определяется их совместными квантово-механическими взаимодействиями".

Один из способов исследовать порядок атомов и распределение электронного заряда - нарушить симметрию ячеек, чтобы вызвать внутренние электрические поля. Кристаллы с постоянными внутренними электрическими полями называются полярными кристаллами. В 2020 году та же лаборатория в ТАУ сообщила о новом полярном кристалле, полученном путем укладки вместе двух слоев кристалла ван-дер-Ваальса, причем каждый слой имеет толщину всего в один атом.

Естественный порядок, в котором доктор Бен Шалом. резюме: "эти кристаллы растут симметрично, причем каждый последующий слой поворачивается на 180 градусов по сравнению с предыдущим. Здесь один тип атомов расположен точно над другим типом. И наоборот, искусственные кристаллы, собранные в лаборатории, не вращаются, что приводит к небольшому смещению между слоями, тем самым отклоняясь от полностью симметричных конфигураций. Эта несимметричная кристаллическая структура заставляет электроны перепрыгивать с одного слоя на другой, образуя между ними постоянное электрическое поле. Важно отметить, что группа обнаружила, что применение внешних электрических полей заставляет слои скользить взад и вперед, чтобы согласовать направление прыжка электрона с ориентацией внешнего поля. Они назвали это явление "межфазным сегнетоэлектричеством" и указали на уникальное движение доменной стенки, которое управляет реакцией "Слайд-троники"."

Доктор Бен Шалом уточняет: "Сегнетоэлектрический отклик, который мы обнаружили, находится в системе толщиной в два атома, самой тонкой из возможных, и, следовательно, очень привлекателен для информационных технологий, основанных на электронном квантовом туннелировании. Сейчас мы разрабатываем такие туннельные устройства в компании Slide-Tro LTD, основанной совместно с университетом и внешним инвестором. Мы считаем, что с помощью этой технологии возможно создание широкого спектра устройств - от маломощной электроники до надежных энергонезависимых запоминающих устройств. С точки зрения фундаментальной науки, это открытие поставило нас перед новыми вопросами: Как распределяется электрический заряд? И как растет электрический потенциал, если мы укладываем дополнительные слои, чтобы еще больше нарушить или восстановить симметрию кристаллов? Другими словами, вместо того, чтобы утоньшать кристаллы, как это было широко исследовано на сегодняшний день, теперь мы могли бы собирать новые полярные кристаллы слой за слоем и измерять электрический потенциал на любой ступени кристаллической лестницы ".

В эксперименте исследователи сравнили соседние домены толщиной в несколько слоев с различными сдвигами назад / вперед между различными слоями, что привело к различным ориентациям поляризации. Например, в четырех слоях (с тремя полярными интерфейсами) допустимы четыре конфигурации: все направлены вверх ↑↑↑, одна вниз и две вверх ↑↑↓, две вниз и одна вверх ↑↓↓ и все вниз ↓↓↓.

"Мы были рады обнаружить лестницу различных электрических потенциалов, разделенных почти ровными ступенями, так что каждую ступень можно использовать как независимую информационную единицу", - говорит Ноам Раб, студент, проводивший измерения. "Это сильно отличается от любой известной на сегодняшний день полярной тонкой пленки, где величина поляризации очень чувствительна ко многим поверхностным эффектам и где полярная ориентация переключается сразу только между двумя потенциалами". Более того, подчеркивает доктор Сваруп Деб, ведущий автор статьи: "Мы обнаружили, что внутренние электрические поля остаются существенными, даже если мы добавим в систему внешние электроны, чтобы сделать ее одновременно проводящей и полярной. Как правило, внешний заряд экранирует внутреннюю поляризацию, но в современных сегнетоэлектриках на границе раздела дополнительные электроны могут течь только вдоль слоев, не слишком сильно перепрыгивая между ними, чтобы приглушить внеплоскостное электрическое поле". Доктор Вэй Цао, один из других ведущих авторов, добавляет: "С помощью теоретических расчетов, основанных на принципах квантовой механики, мы определили точное распределение полярного заряда и проводящего заряда. Первый сильно ограничен границами раздела между слоями и, следовательно, защищен от внешних возмущений.

Расчеты позволили нам предсказать, какие кристаллы лучше всего устойчивы к дополнительному заряду и как спроектировать еще лучшие лестничные сегнетоэлектрики".

"Наиболее вероятные направления будущих исследований, которые мы видим впереди, - это манипулирование большим количеством электронных порядков, таких как магнетизм и сверхпроводимость, путем сдвига различных кристаллических симметрий для формирования новых лестничных мультиферроиков".