Учёные впервые сфотографировали вихри электрической поляризации в атомно-тонком полупроводнике

Международная команда учёных опубликовала в журнале Science Advances результаты исследования, в котором впервые удалось прямым методом изобразить топологические полярные структуры внутри атомно-тонкого полупроводника. Речь идёт о мероны и антимероны — нанометровых «водоворотах» циркулирующей электрической поляризации, обнаруженных в слоистом материале WSe₂.

Как создавали материал с вихрями

Исследователи взяли два слоя вольфрама и селена толщиной всего в несколько атомов и повернули их друг относительно друга на 0,1 градуса. Такой минимальный угол поворота создал повторяющийся нанометровый узор, известный как муаровая суперрешётка. Именно в этой структуре и возникли вихревые образования электрической поляризации.

Метод визуализации и картирование структур

Для прямого наблюдения вихрей учёные использовали высокоразрешающую векторную микроскопию пьезоэлектрического отклика (PFM). Этот метод позволил им пространственно разрешить компоненты поляризации и выявить сеть мероны-антимероны структур. Исследователи смогли создать векторные карты, которые помогли отличить эффекты скручивания материала от эффектов механического напряжения и количественно оценить вклад каждого фактора.

Экспериментальное подтверждение теорией

Полученные результаты были подкреплены теоретическим моделированием и крупномасштабными компьютерными симуляциями. Моделирование воспроизвело циркулирующую поляризацию и подтвердило характеристики, ожидаемые для мероны и антимероны. Как отметил соавтор исследования ассистент-профессор Даниэль Беннетт, сочетание экспериментальных измерений на разных образцах и углах скручивания с расчётами методом функционала плотности и молекулярной динамики в масштабе муаровой решётки дало «самые убедительные доказательства реальных мероны и антимероны в скрученном полупроводнике».

Новизна открытия

Топологические полярные структуры ранее наблюдались в основном в значительно более толстых оксидных материалах. В данном исследовании сеть мероны-антимероны возникла в полупроводниковом двухслое толщиной всего в несколько атомов. Это первый прямой экспериментальный результат, демонстрирующий существование таких структур в скрученных двумерных полупроводниках.

Перспективы для электроники

Открытие создаёт новые возможности для разработки ультратонких энергоэффективных электронных устройств. Нанометровые полярные состояния потенциально можно манипулировать с помощью электрических полей, механического напряжения или специально спроектированных подложек. Кроме того, метод визуализации даёт исследователям новый инструмент для изучения скрученных двумерных материалов и определения того, вызваны ли их поляризационные узоры скручиванием, напряжением или комбинацией обоих факторов.

Это данные исследования, а не медицинский или технический совет.