El público en general podría pensar en el siglo XXI como una era de plataformas tecnológicas revolucionarias, como teléfonos inteligentes o redes sociales. Pero para muchos científicos, este siglo es la era de otro tipo de plataforma: materiales bidimensionales y sus inesperadosmisterios.
Estos materiales bidimensionales se pueden preparar en láminas cristalinas tan delgadas como una monocapa, de solo uno o unos pocos átomos de grosor. Dentro de una monocapa, los electrones están restringidos en cómo pueden moverse: como las piezas en un juego de mesa, puedenmoverse de adelante hacia atrás, de lado a lado o en diagonal, pero no hacia arriba o hacia abajo. Esta restricción hace que las monocapas sean funcionalmente bidimensionales.
El reino 2-D expone las propiedades predichas por la mecánica cuántica, las reglas basadas en ondas de probabilidad que subyacen en el comportamiento de toda la materia. Desde que el grafeno, la primera monocapa, debutó en 2004, los científicos han aislado muchos otros 2-D y demostró que tienen propiedades físicas y químicas únicas que podrían revolucionar la informática y las telecomunicaciones, entre otros campos.
Para un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington, la forma bidimensional de un compuesto metálico: ditellurida de tungsteno o WTe 2 - es un grupo de revelaciones cuánticas. En un artículo publicado en línea el 23 de julio en la revista Naturaleza , los investigadores informan su último descubrimiento sobre WTe 2 : Su forma 2-D puede sufrir "conmutación ferroeléctrica". Descubrieron que cuando se combinan dos monocapas, la "bicapa" resultante desarrolla una polarización eléctrica espontánea. Esta polarización puede ser volteada entre dos estados opuestos por un campo eléctrico aplicado.
"Encontrar la conmutación ferroeléctrica en este material 2D fue una completa sorpresa", dijo el autor principal David Cobden, profesor de física de la Universidad de Washington. "No lo estábamos buscando, pero vimos un comportamiento extraño, y después de formular una hipótesissobre su naturaleza diseñamos algunos experimentos que lo confirmaron muy bien "
Los materiales con propiedades ferroeléctricas pueden tener aplicaciones en almacenamiento de memoria, condensadores, tecnologías de tarjetas RFID e incluso sensores médicos.
"Piense en los ferroeléctricos como el interruptor de la naturaleza", dijo Cobden. "El estado polarizado del material ferroeléctrico significa que tiene una distribución desigual de las cargas dentro del material, y cuando ocurre el cambio ferroeléctrico, las cargas se mueven colectivamente, en lugar delo harían en un interruptor electrónico artificial basado en transistores "
El equipo de UW creó WTe 2 monocapas de su forma cristalina tridimensional, que fue cultivada por los coautores Jiaqiang Yan en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y Zhiying Zhao en la Universidad de Tennessee, Knoxville. Luego, el equipo de la Universidad de Washington, trabajando en una caja de aislamiento libre de oxígenopara prevenir WTe 2 de degradación, utiliza Scotch Tape para exfoliar láminas delgadas de WTe 2 del cristal: una técnica ampliamente utilizada para aislar el grafeno y otros materiales 2-D. Con estas láminas aisladas, podían medir sus propiedades físicas y químicas, lo que condujo al descubrimiento de las características ferroeléctricas.
WTe 2 es el primer material 2-D exfoliado que se sabe que se somete a conmutación ferroeléctrica. Antes de este descubrimiento, los científicos solo habían visto la conmutación ferroeléctrica en aisladores eléctricos. Pero WTE 2 no es un aislante eléctrico; en realidad es un metal, aunque no muy bueno. WTE 2 también mantiene la conmutación ferroeléctrica a temperatura ambiente, y su conmutación es confiable y no se degrada con el tiempo, a diferencia de muchos materiales ferroeléctricos 3-D convencionales, según Cobden. Estas características pueden hacer que WTe 2 un material prometedor para aplicaciones tecnológicas más pequeñas y robustas que otros compuestos ferroeléctricos.
"La combinación única de características físicas que vimos en WTe 2 es un recordatorio de que se pueden observar todo tipo de fenómenos nuevos en los materiales bidimensionales ", dijo Cobden.
La conmutación ferroeléctrica es el segundo descubrimiento importante que Cobden y su equipo han hecho sobre la monocapa WTe 2 . En un artículo de 2017 en Física de la naturaleza , el equipo informó que este material también es un "aislante topológico", el primer material 2-D con esta propiedad exótica.
En un aislador topológico, las funciones de onda de los electrones - resúmenes matemáticos de sus estados mecánicos cuánticos - tienen una especie de giro incorporado. Gracias a la dificultad de eliminar este giro, los aisladores topológicos podrían tener aplicaciones en la computación cuántica -- un campo que busca explotar las propiedades de la mecánica cuántica de los electrones, átomos o cristales para generar una potencia de cómputo que es exponencialmente más rápida que la tecnología actual. El descubrimiento del equipo de UW también surgió de las teorías desarrolladas por David J. Thouless, profesor emérito deFísica que compartió el Premio Nobel de Física 2016 en parte por su trabajo en topología en el ámbito 2D.
Cobden y sus colegas planean seguir explorando monocapa WTe 2 para ver qué más pueden aprender.
"Todo lo que hemos medido hasta ahora sobre WTe 2 tiene algo de sorpresa ", dijo Cobden." Es emocionante pensar qué podríamos encontrar a continuación ".
El coautor de la facultad de la UW es Xiaodong Xu, profesor de física e ciencia de los materiales e ingeniería, así como miembro de la facultad del Instituto de Energía Limpia de la UW. Los coautores principales son el investigador postdoctoral Zaiyao Fei, el estudiante de doctorado Wenjin Zhao yel investigador científico Tauno Palomaki, todos en el Departamento de Física de la UW. Otros coautores son el estudiante de doctorado en física Bosong Sun y Moira Miller, ex pasante de investigación en física de la REU. La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, National ScienceFundación y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Original escrito por James Urton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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