研究揭示了由不同电势构成的最薄可能的阶梯台阶

特拉维夫大学的研究揭示了二维晶体通过相互滑动原子级薄层来展示对不同电势阶跃的独特控制。报道的连续的、最终很薄的电气开关是信息技术和新型机电和光机械应用的高度期望的资源。

这项研究现已发表在《自然》杂志上，由理学硕士SwarupDeb博士进行。特拉维夫大学Raymond&BeverlySackler物理与天文学院的学生NoamRaab、MosheGoldstein教授和MosheBenShalom博士，以及来自特拉维夫大学的WeiCao博士、MichaelUrbakh教授和OdedHod教授TAU化学学院和魏茨曼研究所的LeeorKronik教授。

量子层状物质组负责人MosheBenShalom博士说：“我们对凝聚态物质中的原子顺序、电子如何选择在原子之间混合以及外部刺激是否或如何操纵原子顺序以及电荷分布。”

“由于原子和电子的数量巨大，即使在我们最先进技术的最小设备中，回答这些问题也具有挑战性。技巧之一是研究晶体，其中包含更小的单元，每个单元仅包含几个原子和电子.虽然晶体由许多相同的单元组成，在空间中周期性重复，但它们的特性完全是从一个晶胞对称性和它捕获的少数原子的细节中推断出来的。

“而且，理解和预测这些细节仍然具有挑战性，因为电子同时分布在所有原子上，这是由它们联合的量子力学相互作用决定的。”

探测原子序和电子电荷分布的一种方法是打破细胞的对称性以诱导内部电场。具有永久内部电场的晶体称为极性晶体。2020年，TAU的同一个实验室报告了一种新型极性晶体，它通过将两层范德瓦尔斯晶体堆叠在一起，每层只有一个原子厚。

BenShalom博士总结说，“这些晶体生长的自然顺序是对称的，每个连续层与前一层相比旋转180度。这里一种类型的原子恰好位于另一种类型的上方。相反，人造的在实验室组装的晶体没有旋转，导致各层之间略有偏移，从而偏离了完全对称的结构。”

“这种不对称的晶体结构迫使电子从一层跳到另一层，在它们之间形成一个永久电场。至关重要的是，该小组发现，施加外部电场会使各层来回滑动以匹配电子跳跃的方向与外部场取向。他们将这种现象命名为“界面铁电”，并指出了控制“Slide-Tronics”响应的独特畴壁运动。

BenShalom博士解释说：“我们发现的铁电响应是在两个原子厚的系统中，尽可能薄，因此对基于电子量子隧道的信息技术非常有吸引力。我们现在正在开发这种隧道设备与大学和外部投资者共同成立的名为Slide-TroLTD的隐形阶段公司。我们相信，从低功耗电子设备到强大的非易失性存储器的大量设备都可以通过这项技术实现。”

“从基础科学的角度来看，这一发现向我们提出了新的问题：电荷是如何排列的?如果我们堆叠额外的层以进一步破坏或恢复晶体的对称性，电势如何增长?换句话说，而不是通过迄今为止广泛探索的减薄晶体，我们现在可以逐层组装新的极性晶体，并在晶体阶梯的任何一步探测电势。”

在实验中，研究人员比较了相邻几层厚域，各层之间具有不同的后/前偏移，从而产生不同的偏振方向。比如四层(三极接口)，允许的配置有四种：全向上↑↑↑、一向下两向上↑↑↓、两向下一向上↑↓↓、全向下↓↓↓.

“我们很高兴能找到一个由几乎均匀的台阶分隔的不同电势阶梯，这样每一步都可以用作一个独立的信息单元，”进行测量的学生NoamRab说。“这与迄今为止已知的任何极性薄膜都非常不同，其中极化幅度对许多表面效应非常敏感，并且极性方向仅在两个电位之间立即切换。”

此外，该论文的主要作者SwarupDeb博士强调说，“我们发现，即使我们向系统中添加外部电子以使其既导电又具有极性，内部电场仍然很大。通常，外部电荷会屏蔽掉内部极化，但在目前的界面铁电体中，额外的电子只能沿着层流动而不会在层之间跳跃太多，从而减弱面外电场。”

其他主要作者之一曹伟博士补充说：“在基于量子力学原理的理论计算的帮助下，我们确定了极性电荷和导电电荷的精确分布。前者高度局限于极性电荷之间的界面。层，因此免受外部扰动。”

“这些计算使我们能够预测哪些晶体对额外电荷的弹性最好，以及如何设计更好的梯形铁电体。我们未来看到的最有可能的研究方向是通过滑动不同的方向来操纵更多的电子顺序，如磁性和超导性。晶体对称性形成新的阶梯多铁性。”