Le grand public pourrait considérer le 21e siècle comme une ère de plateformes technologiques révolutionnaires, comme les smartphones ou les réseaux sociaux. Mais pour de nombreux scientifiques, ce siècle est l'ère d'un autre type de plateforme :les matériaux bidimensionnels, et leurs secrets inattendus.

Ces matériaux 2D peuvent être préparés en feuillets cristallins aussi minces qu'une seule monocouche, seulement un ou quelques atomes d'épaisseur. Au sein d'une monocouche, les électrons sont limités dans la façon dont ils peuvent se déplacer :comme des pièces sur un jeu de société, ils peuvent se déplacer d'avant en arrière, côte à côte ou en diagonale, mais ni vers le haut ni vers le bas. Cette contrainte rend les monocouches fonctionnellement bidimensionnelles.

Le domaine 2D expose les propriétés prédites par la mécanique quantique, les règles basées sur les ondes de probabilité qui sous-tendent le comportement de toute matière. Depuis que le graphène, la première monocouche, a fait ses débuts en 2004, les scientifiques ont isolé de nombreux autres matériaux 2D et montré qu'ils possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques qui pourraient révolutionner l'informatique et les télécommunications, entre autres domaines.

Pour une équipe dirigée par des scientifiques de l'Université de Washington, la forme 2-D d'un composé métallique - le ditellurure de tungstène, ou WTe 2 – est une multitude de révélations quantiques. Dans un article publié en ligne le 23 juillet dans la revue La nature , des chercheurs rapportent leur dernière découverte sur le WTe 2 :Sa forme 2-D peut subir une "commutation ferroélectrique". Ils ont découvert que lorsque deux monocouches sont combinées, la "bicouche" résultante développe une polarisation électrique spontanée. Cette polarisation peut être basculée entre deux états opposés par un champ électrique appliqué.

« Trouver la commutation ferroélectrique dans ce matériau 2D a été une surprise totale, " a déclaré l'auteur principal David Cobden, un professeur de physique à l'UW. "Nous ne le cherchions pas, mais nous avons vu un comportement étrange, et après avoir fait une hypothèse sur sa nature, nous avons conçu des expériences qui l'ont bien confirmé. »

Les matériaux aux propriétés ferroélectriques peuvent avoir des applications dans le stockage en mémoire, condensateurs, Les technologies de cartes RFID et même les capteurs médicaux.

« Considérez les ferroélectriques comme un interrupteur de la nature, " a déclaré Cobden. " L'état polarisé du matériau ferroélectrique signifie que vous avez une répartition inégale des charges dans le matériau - et lorsque la commutation ferroélectrique se produit, les charges se déplacent collectivement, plutôt comme ils le feraient dans un interrupteur électronique artificiel basé sur des transistors."

L'équipe UW a créé WTe 2 monocouches de sa forme cristalline 3-D, qui a été cultivé par les co-auteurs Jiaqiang Yan au Oak Ridge National Laboratory et Zhiying Zhao à l'Université du Tennessee, Knoxville. Puis l'équipe UW, travailler dans une boîte d'isolement sans oxygène pour empêcher WTe 2 de se dégrader, utilisé du Scotch Tape pour exfolier de fines feuilles de WTe 2 du cristal, une technique largement utilisée pour isoler le graphène et d'autres matériaux 2D. Avec ces feuilles isolées, ils pouvaient mesurer leurs propriétés physiques et chimiques, qui a conduit à la découverte des caractéristiques ferroélectriques.

WTe 2 est le premier matériau 2-D exfolié connu pour subir une commutation ferroélectrique. Avant cette découverte, les scientifiques n'avaient vu la commutation ferroélectrique que dans les isolants électriques. Mais WTe 2 n'est pas un isolant électrique ; c'est en fait un métal, bien que pas très bon. WTe 2 maintient également la commutation ferroélectrique à température ambiante, et sa commutation est fiable et ne se dégrade pas dans le temps, contrairement à de nombreux matériaux ferroélectriques 3-D conventionnels, selon Cobden. Ces caractéristiques peuvent rendre WTe 2 un matériau prometteur pour les plus petits, applications technologiques plus robustes que d'autres composés ferroélectriques.

"La combinaison unique de caractéristiques physiques que nous avons vues dans WTe 2 rappelle que toutes sortes de phénomènes nouveaux peuvent être observés dans les matériaux 2D, " dit Cobden.

La commutation ferroélectrique est la deuxième découverte majeure que Cobden et son équipe ont faite sur la monocouche WTe 2 . Dans un article de 2017 en Physique de la nature , l'équipe a signalé que ce matériau est également un "isolant topologique, " le premier matériau 2D avec cette propriété exotique.

Dans un isolant topologique, les fonctions d'onde des électrons - des résumés mathématiques de leurs états de mécanique quantique - ont une sorte de torsion intégrée. Grâce à la difficulté d'enlever cette torsion, les isolants topologiques pourraient avoir des applications dans l'informatique quantique, un domaine qui cherche à exploiter les propriétés de la mécanique quantique des électrons, des atomes ou des cristaux pour générer une puissance de calcul exponentiellement plus rapide que la technologie actuelle. La découverte de l'équipe UW découle également des théories développées par David J. Thouless, un professeur émérite de physique de l'UW qui a partagé le prix Nobel de physique 2016 en partie pour ses travaux sur la topologie dans le domaine 2-D.

Cobden et ses collègues prévoient de continuer à explorer la monocouche WTe 2 pour voir ce qu'ils peuvent apprendre d'autre.

"Tout ce que nous avons mesuré jusqu'à présent sur WTe 2 a une certaine surprise dedans, " a déclaré Cobden. " C'est excitant de penser à ce que nous pourrions trouver ensuite. "