Teóricos quânticos da Universidade da Colúmbia Britânica propuseram uma nova abordagem para estudar o empilhamento da ferroeletricidade - polarização elétrica espontânea - em materiais bidimensionais em camadas cultivados em laboratório.



Os materiais ferroelétricos são únicos em sua capacidade de "lembrar" seu novo estado após a remoção do campo elétrico, o que os torna úteis em aplicações que incluem tecnologia de células solares e dispositivos de memória compactos.

“Temos aprendido nos últimos anos que a geometria quântica está subjacente a uma gama surpreendente de propriedades observáveis ​​dos materiais”, disse o Dr. Marcel Franz, vice-diretor científico da UBC Blusson QMI e professor do Departamento de Física e Astronomia. "Este trabalho adiciona uma nova entrada importante à crescente lista de fenômenos que podem ser elucidados usando esta fascinante abordagem geométrica."

A ferroeletricidade é uma propriedade que permite que os materiais tenham uma polarização elétrica incorporada. Os materiais ferroelétricos têm polarização comutável que pode ser controlada por um campo elétrico, enquanto os ferroelétricos de empilhamento são formados pela montagem de duas camadas não polares atomicamente finas que criam polarização através de sua forma especial de empilhamento.

"A parte mais emocionante de nossa descoberta é que a física subjacente por trás do empilhamento da ferroeletricidade pode, de fato, ser entendida como uma propriedade geométrica", disse o pós-doutorado da UBC Blusson QMI, Dr. Benjamin Zhou, principal autor do estudo publicado na revista Cartas de revisão física .

"Para estabelecer a conexão significativa entre empilhamento de ferroeletricidade e geometria, tivemos que passar por análises detalhadas de modelos e cálculos numéricos rigorosos para diferentes tipos de materiais ferroelétricos, como bicamadas em favo de mel, bicamada romboédrica de dissulfeto de molibdênio (3R-MoS₂ ) e ditelureto de tungstênio bicamada (WTe₂ )", disse o Dr. Zhou. "Os resultados confirmam que nossa abordagem geométrica funciona bem para todos esses materiais."

Até agora, os cientistas estudaram o empilhamento de materiais ferroelétricos de duas maneiras:análise de simetria, que determina se o material pode ser polar, e abordagens computacionais que fornecem a magnitude da polarização. No entanto, estes métodos são limitados na descrição da robustez da polarização.

A nova abordagem geométrica quântica permite aos pesquisadores observar as propriedades de polarização como uma característica geométrica do modelo, que eles descrevem usando uma representação visual de um vetor movendo-se sobre uma esfera.

"Para cada material ferroelétrico empilhado, a trajetória de seu vetor unitário correspondente através da esfera é única, permitindo-nos identificar facilmente o quão robusta a polarização pode ser e prever quais tipos de materiais podem exibir forte polaridade", disse o Dr. "Esta descoberta nos fornece uma nova lente poderosa para examinar a física subjacente da ferroelétrica."

O estudo foi inspirado no trabalho experimental anterior liderado pelo investigador Blusson QMI, Dr. Ziliang Ye, publicado na Nature Photonics. , onde Zhou e Franz contribuíram para a explicação teórica. Os resultados demonstrados pelo grupo de Ye em 2022 estiveram entre os primeiros experimentos no mundo a alcançar a polarização espontânea ferroelétrica por meio de uma ordem de empilhamento projetada entre camadas atômicas.

"A teoria moderna da polarização explica ferroelétricos em massa usando o conceito de fase Berry, que se torna difícil de lidar para empilhar ferroelétricos no limite 2D. Nossa abordagem geométrica reconecta a origem da polarização em ferroelétricos 2D com o conceito de fase Berry", disse Vedangi Pathak, um Ph.D. aluno do grupo de Franz que foi coautor do estudo.

"Nosso trabalho fornece uma estrutura muito simples que qualquer pessoa com formação em física pode usar em suas pesquisas."