Les matériaux ultrafins constitués d'une seule couche d'atomes ont attiré l'attention des scientifiques depuis la découverte du premier de ces matériaux, le graphène, il y a environ 17 ans. Entre autres avancées depuis lors, des chercheurs, y compris ceux d'un laboratoire pionnier du MIT, ont découvert que l'empilement de feuilles individuelles de matériaux 2D, et parfois en les tordant légèrement l'un par rapport à l'autre, peut leur donner de nouvelles propriétés, de la supraconductivité au magnétisme.

C'est exactement ce que les physiciens du MIT du même laboratoire et leurs collègues ont fait avec le nitrure de bore, connu sous le nom de « graphène blanc » en partie parce qu'il a une structure atomique similaire à son célèbre cousin. L'équipe a montré que lorsque deux feuilles simples de nitrure de bore sont empilées parallèlement l'une à l'autre, le matériau devient ferroélectrique, dans lequel les charges positives et négatives du matériau se dirigent spontanément vers des côtés différents, ou des poteaux. Lors de l'application d'un champ électrique externe, ces charges changent de côté, inverser la polarisation. Surtout, tout cela se passe à température ambiante.

Le nouveau matériel, qui fonctionne via un mécanisme totalement différent des matériaux ferroélectriques existants, pourrait avoir de nombreuses applications.

"De larges variétés de propriétés physiques ont déjà été découvertes dans divers matériaux 2D. Maintenant, nous pouvons facilement empiler le nitrure de bore ferroélectrique avec d'autres familles de matériaux pour générer des propriétés émergentes et de nouvelles fonctionnalités, " dit Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique et chef de file des travaux, qui a été rapporté dans la revue Science. Jarillo-Herrero est également affilié au Materials Research Laboratory du MIT.

En plus de Jarillo-Herrero, les autres auteurs de l'article sont Kenji Yasuda, un boursier postdoctoral du MIT ; Xirui Wang, un étudiant diplômé du MIT en physique, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Applications potentielles

Parmi les applications potentielles du nouveau matériau ferroélectrique ultrafin, "une possibilité intéressante est de l'utiliser pour un stockage de mémoire plus dense, " dit Yasuda, auteur principal de l'article de Science. En effet, la commutation de la polarisation du matériau pourrait être utilisée pour coder des uns et des zéros (informations numériques) et ces informations seront stables dans le temps. Il ne changera pas à moins qu'un champ électrique ne soit appliqué. Dans l'article de Science, l'équipe rapporte une expérience de preuve de principe montrant cette stabilité.

Parce que le nouveau matériau n'a que des milliardièmes de mètre d'épaisseur - c'est l'un des ferroélectriques les plus minces jamais fabriqués - il pourrait également permettre un stockage de mémoire informatique beaucoup plus dense.

L'équipe a en outre découvert que la torsion des feuilles parallèles de nitrure de bore à un léger angle les unes par rapport aux autres entraînait un autre "type complètement nouveau d'état ferroélectrique, " dit Yasuda. Cette approche générale, connu sous le nom de twistronique, a été lancé par le groupe Jarillo-Herrero, qui l'a utilisé pour obtenir une supraconductivité non conventionnelle dans le graphène.

Nouvelle physique

Le nouveau matériau ferroélectrique ultrafin est également passionnant car il implique une nouvelle physique. Le mécanisme derrière son fonctionnement est complètement différent de celui des matériaux ferroélectriques conventionnels.

dit Yasuda, "La commutation ferroélectrique hors du plan se produit par le mouvement de glissement dans le plan entre deux feuilles de nitrure de bore. Ce couplage unique entre la polarisation verticale et le mouvement horizontal est rendu possible par la rigidité latérale du nitrure de bore."

Vers d'autres ferroélectriques

Yasuda note que d'autres nouveaux ferroélectriques pourraient être produits en utilisant la même technique décrite dans Science. "Notre méthode pour transformer un matériau de départ non ferroélectrique en un ferroélectrique ultrafin s'applique à d'autres matériaux avec des structures atomiques similaires au nitrure de bore, nous pouvons donc élargir considérablement la famille des ferroélectriques. Seuls quelques ferroélectriques ultrafins existent aujourd'hui, " dit-il. Les chercheurs travaillent actuellement dans ce sens et ont obtenu des résultats prometteurs.

Le laboratoire Jarillo-Herrero est un pionnier dans la manipulation et l'exploration de l'ultra-mince, matériaux bidimensionnels comme le graphène. Néanmoins, la conversion du nitrure de bore ultrafin en ferroélectrique était inattendue.

Dit Xirui Wang :

"Je me souviens encore du moment où nous faisions les mesures et nous avons vu un saut inhabituel dans les données. Nous avons décidé de relancer l'expérience, et quand nous l'avons fait encore et encore, nous avons confirmé qu'il se passait quelque chose de nouveau."