量子几何为具有可切换电极性的智能材料提供了新的见解

不列颠哥伦比亚大学的量子理论家提出了一种新方法来研究层状二维实验室生长材料中的堆叠铁电性(自发电极化)。

铁电材料的独特之处在于，它们能够在电场去除后“记住”其新状态，这使得它们在太阳能电池技术和紧凑型存储设备等应用中非常有用。

UBC Blusson QMI 科学副主任兼物理与天文学系教授 Marcel Franz 博士说：“近年来，我们一直在了解量子几何是材料可观察特性范围惊人的基础。” “这项工作为越来越多的现象添加了一个重要的新条目，可以使用这种迷人的几何方法来阐明这些现象。”

铁电性是一种允许材料具有内置电极化的特性。铁电材料具有可通过电场控制的可切换极化，而堆叠铁电体是通过组装两个原子薄的非极性层形成的，这些非极性层通过其特殊的堆叠方式产生极化。

“我们的发现中最令人兴奋的部分是，堆叠铁电性背后的基础物理实际上可以被理解为一种几何特性，”UBC Blusson QMI 博士后研究员 Benjamin Zhou 博士说，他是发表在《物理》杂志上的这项研究的主要作者。评论信件。

“为了在堆叠铁电性和几何形状之间建立有意义的联系，我们必须对不同类型的铁电材料进行详细的模型分析和严格的数值计算，例如蜂窝状双层、菱形双层二硫化钼 (3R-MoS2 )和双层二碲化钨 ( WTe 2 )，”周博士说。 “结果证实我们的几何方法适用于所有这些材料。”

到目前为止，科学家们已经通过两种方式研究了铁电材料的堆叠：对称分析(确定材料是否可以具有极性)和计算方法(提供极化强度)。然而，这些方法在描述偏振的鲁棒性方面受到限制。

新的量子几何方法使研究人员能够将偏振特性视为模型的几何特征，他们使用在球体上移动的矢量的视觉表示来描述该模型。

“对于每种堆叠铁电材料，其对应的单位矢量在球体上的轨迹都是唯一的，使我们能够轻松识别极化的强度，并预测哪些类型的材料可以表现出强极性，”周博士说。 “这一发现为我们提供了一个新的强大镜头来研究铁电体的基础物理。”

该研究受到Blusson QMI 研究员 Ziliang Ye 博士领导的先前实验工作的启发，该工作发表在《自然光子学》上，其中 Zhou 和 Franz 做出了理论解释。叶的团队在 2022 年展示的结果是世界上首批通过设计原子层之间的堆叠顺序实现铁电自发极化的实验之一。

Vedangi Pathak 表示： “现代极化理论使用 Berry 相概念来解释块状铁电体，而在二维极限下堆叠铁电体变得很棘手。我们的几何方法将2D 铁电体中极化的起源与 Berry 相概念重新联系起来。”博士学位弗兰茨小组的学生，该研究的合著者。

“我们的工作提供了一个非常简单的框架，任何具有物理学背景的人都可以在他们的研究中使用。”