Internationales Team verifiziert 53 Jahre alte Theorie über ferroelektrische Metalle
1965 stellte Philip W. Anderson, renommierter Physiker der Princeton University und späterer Physik-Nobelpreisträger, die Theorie auf, ferroelektrische Metalle könnten Strom leiten, obwohl sie in der Natur nicht existieren. Jahrzehnte lang dachten Wissenschaftler, es sei unmöglich, die Theorie zu belegen. Es war wie der Versuch, Feuer und Wasser zu mischen, aber schließlich ist es einem von der amerikanischen Rutgers-Universität in New Jersey geführten internationalen Team von Wissenschaftlern doch gelungen; sie haben ihre Ergebnisse nun online in Nature Communications veröffentlicht, schrieb Todd B. Bates am 11.06.2018 auf der Rutgers-Webseite.
Positionen der Atome in einem ferroelectrisch-ähnlichen Metall – Bild © Zhen Wang und Yimei Zhu; Brookhaven National Laboratory
„Es ist aufregend“, sagte Jak Chakhalian, Teamleiter der Studie und Professor für Experimentalphysik an der Rutgers-Universität in New Brunswick, „wir haben eine neue Klasse von zweidimensionalen künstlichen Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften bei Raumtemperatur geschaffen, die es in der Natur noch nicht gibt. Es ist eine wichtige Verbindung zwischen einer Theorie und einem Experiment.“
Erkenntnisse könnten eine neue Generation von multifunktionalen Geräten und Anwendungen hervorbringen
Ein Eckpfeiler der Technologie, ferroelektrische Materialien, werden in der Elektronik wie in Mobiltelefonen und anderen Empfangsanlagen, Computerspeichern, medizinischen Geräten, präzisen Motoren, empfindlichen Sensoren und Sonargeräten verwendet. Keines ihrer Materialien leitet Elektrizität und möglicherweise könnten die Entwicklungen eine neue Generation von Vorrichtungen und Anwendungen hervorbringen, sagte Chakhalian. „Ferroelektrische Materialien sind technologisch eine sehr wichtige Werkstoffklasse“, sagte er. „Sie bewegen, schrumpfen und dehnen sich, wenn Strom angelegt wird, und das ermöglicht es Ihnen, Dinge mit exquisiter Präzision zu bewegen. Außerdem hat jedes moderne Handy Dutzende von Komponenten mit ähnlichen Eigenschaften wie Ferroelektrikum.“
Forschungsergebnisse könnten zu effizienterer Elektronik führen
Wie viele Physiker liebt Chakhalian Herausforderungen; er konnte kein physikalisches Gesetz finden, das besagt, dass ferroelektrische Metalle nicht erzeugt werden könnten. So hat sein Team, darunter Studienleiter Yanwei Cao, heute Professor an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Chakhalians hochmoderne Werkzeuge genutzt, um nur wenige Atome dicke Materialblätter herzustellen. Es ist wie Sandwiches machen, sagte Chakhalian.
„Wenn ein Material ferroelektrisch wird, verschieben sich seine Atome permanent Wir wollten einem künstlichen Kristall, der Strom leitet, metallische Eigenschaften hinzufügen“, sagte er. „Also nahmen wir zwei sehr dünne Schichten, um ein zweidimensionales Metall an der Grenzfläche zu erzeugen, und fügten eine dritte Schicht mit besonderen Eigenschaften hinzu, um die Atome in dieser Metallschicht zu verschieben und ein ferroelektrisches Metall zu erzeugen. Die neue Struktur hat mehrere Funktionen eingebaut, und das ist ein großer Gewinn für beide Seiten.“
Zu den Co-Autoren der Studie bei Rutgers gehören der Post-Doc Xiaoran Liu, Mikhail (Misha) Kareev, ein Mitarbeiter der Experimentalgruppe für kondensierte Materie, und die Theoretikerin Karin M. Rabe, Board of Governors-Professorin für Physik.
->Quellen:
- news.rutgers.edu/rutgers-physicists-create-new-class-2d-artificial-materials
- Originalartikel: Yanwei Cao et al, Artificial two-dimensional polar metal at room temperature, in: Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03964-9
- phys.org/2018-06-physicists-class-d-artificial-materials
- quantum.rutgers.edu/members