Die Entdeckung neuer topologischer Phasen könnte zu bedeutenden Fortschritten in der Nanotechnologie führen. Unter Verwendung einer neuen Plattform für topologische Physikforschung in nanoskaligen Geräten haben Cambridge-Forscher eine neue topologische Phase in einem zweidimensionalen System entdeckt.
An zweidimensionalen Materialien wie Graphen wurden verschiedenste Phänomene in Physik und Materialwissenschaften experimentell und theoretisch untersucht. Neben Graphen gibt es mehrere 2D-Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Dies ist ermutigend für mögliche Anwendungen in der Nanotechnologie, wo verschiedene Funktionalitäten zu Geräten hinzugefügt werden können, indem verschiedene 2D-Materialien oder Schichtstapel kombiniert werden.
Welche Bedeutung hat Ferroelektrizität?
Kürzlich wurde gezeigt, dass Ferroelektrizität entsteht, wenn eine Schicht über eine andere gleitet und die Symmetrie in Materialien wie hexagonalem Bornitrid (hBN) bricht, die weniger symmetrisch als Graphen sind. Ferroelektrizität ist eine nützliche Eigenschaft für die Informationsverarbeitung und Speicherung. Ferroelektrizität ist der Ersatz des elektrischen Dipolmoments eines Materials durch ein elektrisches Feld.
Das Moiré-Übergitter ist ein ausgezeichnetes Interferenzmuster, das auftritt, wenn zweidimensionale Materialien relativ zueinander gebogen werden; Dieses Muster kann die physikalischen Eigenschaften von Materialien erheblich verändern. Das Biegen von HBN und verwandten Materialien bewirkt, dass die verschiedenen Stapelbereiche polarisiert werden, was zu einem regelmäßigen polaren Feldnetzwerk und Ferroelektrizität führt, was gezeigt wurde.
Was sind Meron und Antimeron?
In dieser neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler der Universität Lüttich in Belgien und des Cambridge Cavendish Laboratory entdeckt, dass es in diesen Polargebieten mehr gibt, als bisher bekannt war. Diese sind topologischer Natur und bilden Objekte, die Meron und Antimeron genannt werden.
Der Erstautor, der dieses Experiment am Cavendish Laboratory begonnen hat und jetzt an der Harvard University in den USA ist, ist Dr. Daniel Bennett stellte fest, dass die Polarisation in verdrillten Systemen in der Richtung außerhalb der Ebene liegt, dh in der Richtung senkrecht zu den Schichten.
Wir entdeckten, dass eine durch Scherung oder Biegung induzierte Symmetriebrechung auch eine Polarisation in der Ebene mit vergleichbarer Stärke wie eine Polarisation außerhalb der Ebene erzeugt. Die Symmetrie der Schichten bestimmt vollständig die Form des niedlichen Vektorfeldes, das durch die Polarisation in der Ebene erzeugt wird.
Der Befund der In-Plane-Polarisation zeigt, dass die elektrischen Eigenschaften von 2D-Spinnsystemen viel komplexer sind als bisher angenommen. Noch wichtiger ist, dass die Wissenschaftler entdeckten, dass die Polarisation in diesen verdrillten Doppelschichten topologisch nicht trivial ist, indem sie sowohl die In-Plane- als auch die Out-of-Plane-Polarisationskomponenten kombinierten.
Bei der Arbeit an dieser Studie mit seinem Team am Cavendish Laboratory hat Dr. Laut Robert-Jan Slager „dreht sich das Polarisationsfeld in jedem Feld um eine halbe Drehung und bildet ein topologisches Objekt, das als Meron (halbes Skyrmion) bekannt ist.“ Über der verdrillten Schicht entwickelt sich ein starkes Netzwerk aus Meron und Antimeron.
Laut Bennett lassen sich die meisten Objekte in der Physik energetisch erklären. Die Natur ist ineffizient und zieht es vor, Aufgaben so schnell wie möglich zu erledigen und dabei den Energiebedarf eines Systems zu reduzieren.
Ein Material wählt normalerweise die Phase mit der niedrigsten Energie als seine neue Phase. Topologische Phasen und Eigenschaften hingegen werden eher von multiplen Symmetrien eines Systems als von Energie bestimmt. Physikalische Eigenschaften eines Systems, wie elektrische oder magnetische Felder, können komplexe Muster entwickeln, die sich verheddern oder verknoten, weil sie Symmetrie erfordern.
Laut Slager erfordert das Lösen dieser Knoten viel Energie, was diese Strukturen ziemlich langlebig macht. Beispielsweise ist auf dem Gebiet der topologischen Quantencomputer die Fähigkeit, diese topologischen Objekte herzustellen, zu zerstören und zu manipulieren, besonders attraktiv.
Um dies zu erreichen, planen die Forscher, ihr Verständnis der topologischen Polarisierung zu erweitern und ein Proof-of-Concept-Gerät zu schaffen, das es ihnen ermöglicht, neue und faszinierende physikalische Phänomene unter Verwendung der von ihnen entdeckten polaren Meronen/Antimeronen zu organisieren oder zu erzeugen.
Quelle: phys.org/news
📩 30/03/2023 10:45