Колебания доменных стенок в 2D материалах раскрывают новый механизм сверхпроводимости

Двумерные (2D) материалы ван дер Ваальса состоят из атомарно тонких слоев, удерживаемых друг другом слабыми силами ван дер Ваальса. Эти материалы привлекли внимание многочисленных исследований, поскольку их уникальные свойства делают их идеальными для изучения различных экзотических и редких физических явлений. Гаурава Чаудхари и Ивара Мартина, исследователей из Кембриджского университета и Лаборатории национальной лаборатории Аргонна, соответственно, заинтересовала одна особенность 2D материалов ван дер Ваальса — материалы без центра инверсии (то есть симметрии, при которой две половины материала зеркально отображают друг друга).

В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи выявили интересную связь между ферроэлектрическими доменными стенками и взаимодействиями электронов в некоторых из этих материалов. "Множество малослойных материалов ван дер Ваальса, включая борнитрид и дихалькогениды переходных металлов (TMD), демонстрируют любопытное явление скользящей ферроэлектричности", — рассказали Чаудхари и Мартин Phys.org.

"Несмотря на металлическую природу, благодаря химии и структуре этих систем, разные укладки слоев могут иметь встроенную электрическую поляризацию, то есть межслойное электрическое поле и зарядовый дисбаланс. Особенно примечательно, что с помощью умеренного внешнего электрического поля можно изменять укладку на довольно большом масштабе, что позволяет изменять направление поляризации." Разные укладки в 2D материалах ван дер Ваальса, подверженные этому явлению, называемому "скользящей ферроэлектричностью", связаны с большим смещением двух слоев на несколько ангстремов.

Ранее исследования показали, что этот эффект может сохраняться при комнатной температуре. "Это явление привлекло интерес ученых, пытающихся понять микроскопический механизм этих преобразований, а также инженеров, стремящихся найти применения этому удивительному явлению", — добавили Чаудхари и Мартин. "Как и в ферромагнитах и объемных ферроэлектриках, энергетически эффективный способ изменения поляризации заключается в том, чтобы доменная стенка прошла через систему.

Пространственная размерность доменной стенки на единицу меньше, чем размерность самого материала (2D поверхность для объемных материалов и 1D для тонких пленок)." Доменная стенка — это граница или интерфейс, разделяющий области внутри материала, которые демонстрируют различные ориентации ферроэлектрической поляризации или других свойств. Эта уникальная граница реализует седловую точку плотности свободной энергии, в отличие от минимума.

Из-за этого свойства, характеристики доменных стенок могут значительно отличаться от свойств исходных объемных материалов и материалов с уменьшенной пространственной размерностью. В частности, эти интерфейсы могут демонстрировать уникальную форму и сильное электрон-фононное взаимодействие. "Наш проект, сосредоточенный на взаимодействии скользящей ферроэлектричности и сверхпроводимости, развивался следующим образом", — объяснили Чаудхари и Мартин.

"Мы задумывались о ряде любопытных аспектов ферроэлектричности в билистах материалов ван дер Ваальса, включая графен, что совсем не связано с сверхпроводимостью. Однако по мере того как мы начали лучше понимать так называемую 'скользящую ферроэлектричность', нам пришла в голову мысль, что может существовать интересное взаимодействие с электронами вблизи доменных стенок." Во время теоретических исследований основ явления "скользящей ферроэлектричности", исследователи заметили признаки этого явления в материале MoTe2. В частности, они обнаружили, что сверхпроводящий Tc сильно усиливается в этом материале при переходе поляризации. "Усиление является 'временным', и оно наблюдается в пределах петли гистерезиса, то есть когда система содержит домены обеих ориентаций, а между ними находятся доменные стенки", — сообщили Чаудхари и Мартин.

"Таким образом, мы продолжили следовать нашему любопытству, и, к счастью, оказалось, что ситуация вблизи доменных стенок вполне подходит для формирования пар электронов, что необходимо для сверхпроводимости." В целом, результаты недавней работы Чаудхари и Мартина показали, что область доменной стенки в 2D материалах TMD является действительно особенной. В этой области плотность электронов напрямую взаимодействует с поляризацией, создавая потенциал между слоями этих материалов. "Центр доменной стенки определяется отсутствием поляризации, и наивно можно было бы ожидать, что именно там взаимодействие между поляризацией и электронными возбуждениями должно исчезать", — пояснили Чаудхари и Мартин.

"Это действительно так для статического взаимодействия, однако сверхпроводимость обусловлена динамическими флуктуациями. Латтитудные колебания в области доменной стенки, которые влияют на относительное положение слоев (укладку), приводят к флуктуациям поляризации (или эквивалентны флуктуациям положения доменной стенки)." После тщательного изучения 2D TMD, Чаудхари и Мартин смогли лучше понять явление "скользящей ферроэлектричности", которое они продемонстрировали.

Это позволило им разработать теоретическую методологию, описывающую физические процессы, стоящие за этим явлением. "Как только мы поняли эту систему и имели физическое представление о том, что может происходить, теоретическая методология была ясна, начиная от стандартного подхода к электрон-фононному или электронному взаимодействию с мягкими бозонами (вибрациями низкой энергии) в учебниках по многотельной физике", — объяснили Чаудхари и Мартин. Это исследование может вдохновить другие научные группы на изучение возникновения сверхпроводимости в 2D TMD и других билистах материалов ван дер Ваальса. В то время как сами исследователи планируют продолжить изучение сверхпроводимости, связанной с доменными стенками, которую они открыли.

• 3D-печатная грибная топливная ячейка предлагает биоразлагаемое решение для получения энергии
• IBM ускоряет обучение ИИ на скорости света при минимальном энергопотреблении
• Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона
• Солнечная система для зарядки электромобилей
• Крупнейший электрический самолёт взлетит в 2025 году
• ДНК-биочернила открывают новые горизонты для 3D-печати кровеносных сосудов
• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое