物理学家用白色石墨烯设计出新特性

自从大约 17 年前发现第一种此类材料石墨烯以来，由单层原子制成的超薄材料引起了科学家的注意。自那时以来的其他进展中，包括麻省理工学院先驱实验室在内的研究人员发现，将二维材料的单片堆叠起来，有时将它们以微小的角度相互扭曲，可以赋予它们新的特性，从超导性到磁性。

现在，来自同一实验室的 MIT 物理学家和同事们已经用氮化硼(被称为“白色石墨烯”)完成了这项工作，部分原因是它的原子结构与其著名的表亲相似。该团队已经表明，当两片氮化硼彼此平行堆叠时，材料会变成铁电体，其中材料中的正电荷和负电荷会自发地走向不同的侧面或极点。在施加外部电场时，这些电荷会换边，从而逆转极化。重要的是，所有这些都发生在室温下。

这种通过与现有铁电材料完全不同的机制起作用的新材料可能有许多应用。

“已经在各种 2D 材料中发现了各种各样的物理特性。现在我们可以轻松地将铁电氮化硼与其他系列材料堆叠在一起，以产生新兴特性和新功能，”塞西尔和艾达格林教授 Pablo Jarillo-Herrero 说物理学博士和这项工作的领导者，发表在《科学》杂志上。Jarillo-Herrero 还隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

除了 Jarillo-Herrero 之外，该论文的其他作者是麻省理工学院博士后研究员安田健司;麻省理工学院物理学研究生王希瑞，日本国立材料科学研究所的渡边健二和谷口隆史。

潜在应用

在新的超薄铁电材料的潜在应用中，“一个令人兴奋的可能性是将其用于更密集的内存存储，”科学论文的第一作者 Yasuda 说。那是因为切换材料的极化可用于编码 1 和 0(数字信息)，并且这些信息会随着时间的推移保持稳定。除非施加电场，否则它不会改变。在科学论文中，该团队报告了一项原理验证实验，显示了这种稳定性。

因为这种新材料只有十亿分之一米厚——它是有史以来最薄的铁电体之一——它还可以允许更密集的计算机内存存储。

该团队进一步发现，将平行的氮化硼片相互以微小角度扭曲会导致另一种“全新类型的铁电状态”，Yasuda 说。这种被称为扭曲电子学的通用方法是由 Jarillo-Herrero 小组首创的，该小组用它来实现石墨烯的非常规超导性。

新物理学

新的超薄铁电材料也令人兴奋，因为它涉及新的物理学。它的工作原理与传统的铁电材料完全不同。

Yasuda 说：“面外铁电切换是通过两个氮化硼片之间的面内滑动运动发生的。垂直极化和水平运动之间的这种独特耦合是由氮化硼的横向刚度实现的。”

走向其他铁电体

Yasuda 指出，可以使用《科学》中描述的相同技术生产其他新的铁电体。“我们将非铁电起始材料转变为超薄铁电材料的方法适用于具有类似于氮化硼的原子结构的其他材料，因此我们可以极大地扩展铁电体家族。今天只有少数超薄铁电体存在，”他说。研究人员目前正在为此而努力，并取得了一些有希望的结果。

Jarillo-Herrero 实验室是操纵和探索石墨烯等超薄二维材料的先驱。然而，超薄的转换硼氮化铁电是出乎意料的。

王溪瑞说：

“我仍然记得当我们进行测量时，我们看到数据出现异常跳跃。我们决定应该再次运行实验，当我们一次又一次地进行时，我们确认发生了新的事情。”

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