Uusia yllätyksiä kaksiulotteisista

Tutkijoille tämä vuosisata on kaksiulotteisien materiaalien ja niiden odottamattomien salaisuuksien aikakausi.

Washingtonin yliopiston tutkijoiden johtamassa ryhmässä metalliyhdiste wolframiditelluridi tai WTe2:sta tehtiin löytö, että sen 2D-muoto voi läpikäydä ”ferrosähköistä vaihtoa. Havaittiin, että kun kaksi yksikerroksista yhdistetään, tuloksena olevassa ”kaksikerroksisessa” kehittyy spontaani sähköpolarisaatio. Tätä polarisaatiota voidaan kääntää kahden vastakkaisen tilan välillä sovelletulla sähkökentällä.

"Ferrosähköisen kytkeytymisen löytäminen tässä 2D-materiaalissa oli täydellinen yllätys", kertoo UW-fysiikan professori David Cobden. "Emme etsineet sitä, mutta näimme epätavallista käyttäytymistä, ja sen jälkeen, kun teimme hypoteesin sen luonteesta, suunniteltiin joitain kokeita, jotka vahvistivat sen hienosti."

WTe2 on ensimmäinen kuorittu 2D-materiaali, jonka tiedetään läpikäyvän ferrosähköinen vaihtokytkentä. Ennen tätä keksintöä tutkijat olivat havainneet ferrosähköistä kytkentää vain sähköisissä eristeissä. Mutta WTe2 ei ole sähköinen eriste; se on itse asiassa metalli, vaikkakaan ei ole kovin hyvä.

WTe2 ylläpitää ferrosähköistä kytkentää huoneenlämmössä ja sen kytkentä on luotettavaa eikä heikkene ajan myötä, toisin kuin monet tavanomaiset kolmiulotteiset ferrosähköiset materiaalit. Jo aiemmin osin sama tutkijaryhmä oli havainnut että WTe2 on myös ”topologinen eriste,” ensimmäinen 2D materiaali tällä eksoottisella omaisuudella.

Ferrosähköisten ominaisuuksien omaavilla materiaaleilla voi olla sovelluksia muistitallennuksessa, kondensaattoreissa, RFID-korttitekniikoissa ja jopa lääketieteellisissä antureissa.

Monet tutkimukset ovat osoittaneet, että 2D-kerrosten kiertosuunnalla on tärkeä rooli etsittäessä uusia ominaisuuksia, jotka syntyvät, kun materiaalit yhdistetään.

Kolumbian yliopiston tutkijat ovat kehittäneet, "twistronic" -rakenteen, jonka avulla toistensa päälle asetettujen kahden eri 2D-materiaalien kerroksen kiertokulmaa helposti tutkimustyön aikana muuttaa. Aiemmin kiertokulma määräytyi materiaalin valmistuksen yhteydessä.

Tutkijoiden kehittämä rakenne perustuu heikkoon kitkaan, joka esiintyy kerrosten välisellä rajapinnalla, joita van der Waalsin voimat pitävät yhdessä, jotka ovat paljon heikommat kuin kunkin kerroksen atomisidokset.

Aiheesta aiemmin:

Kaksiulotteisia heterorakenteita