Des chercheurs basculent l’interrupteur sur le contrôle électrique de la symétrie cristalline

En réunissant les bons matériaux, une collaboration dirigée par Cornell a pour la première fois utilisé la tension pour activer et désactiver la symétrie cristalline d’un matériau, contrôlant ainsi ses propriétés électroniques, optiques et autres – une découverte qui pourrait avoir un impact profond sur la construction de futurs dispositifs de mémoire et de logique.

L’article du groupe, “Contrôle du champ électrique non volatil de la symétrie d’inversion”, a été publié le 19 décembre 2022 dans Matériaux naturels. Les co-auteurs principaux de l’article sont l’ancien chercheur postdoctoral Yu-Tsun Shao, maintenant professeur à l’Université de Californie du Sud, et Lucas Caretta de l’Université de Californie à Berkeley.

La technique est rendue possible en tirant parti de la rivalité entre les arrangements atomiques de deux matériaux : la ferrite de bismuth et le scandate de terbium.

“Nous aimons organiser un match de boxe entre différents matériaux qui se font concurrence, et à leur interface, ils ont une belle lutte”, a déclaré le co-auteur principal Darrell Schlom, professeur Herbert Fisk Johnson de chimie industrielle à Cornell Engineering. .

“Nous fabriquons chaque matériau en quelques couches atomiques épais afin qu’ils puissent avoir une grande influence les uns sur les autres, puis apportez de légers ajustements aux épaisseurs des couches pour en faire une correspondance uniforme. Lorsqu’aucune des couches ne domine et ne subit de perturbations importantes de la part de l’autre matériau, des choses intéressantes peuvent se produire. En mettant en place cette frustration, ce bras de fer ou ce match de boxe, le phénomène émergent s’est avéré être un contrôle électrique de la symétrie, ce qui est inouï, et nous en sommes vraiment excités.”

L’équipe de Schlom a utilisé l’épitaxie par faisceau moléculaire pour créer un sandwich de couches alternées de ferrite de bismuth– un ferroélectrique avec la polarisation la plus élevée de tous les matériaux connus – et le scandate de terbium, qui n’est pas un ferroélectrique. Ensuite, Shao et son co-auteur principal David Muller, titulaire de la chaire d’ingénierie Samuel B. Eckert, ont utilisé le détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD) de leur laboratoire, capable de voir les atomes à une résolution record, pour comprendre la structure atomique du sandwich. de couches et ses phases polaires et non polaires.

“Il est assez difficile d’obtenir une image robuste de ce matériau car des artefacts systématiques se produisent lorsque les atomes ne s’alignent pas parfaitement le long d’une colonne”, a déclaré Shao. “Nous avons dû développer un nouveau mode d’imagerie à l’aide de l’EMPAD pour découpler les informations structurelles de ces erreurs.”

Un groupe dirigé par le co-auteur principal Ramamoorthy Ramesh de l’UC Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory a ensuite déterminé comment allumer et éteindre électriquement son symétrie d’inversion.

Le contrôle d’une telle symétrie est une caractéristique importante car le comportement de tous les matériaux solides est déterminé par l’arrangement spécifique de leurs atomes. La symétrie d’inversion est essentiellement la caractéristique d’un objet qui peut être retourné sans changer ses propriétés, comme un sac ou un ballon, alors qu’un gant gaucher qui est inversé devient droitier et sa symétrie est brisée.

“En général, la symétrie influence les propriétés. Donc, pour pouvoir contrôler la symétrie avec un champ électrique est vraiment puissant », a déclaré Schlom. « Cela pourrait influencer la microélectronique de faible puissance dans le domaine de la logique et de la mémoire. Parce que ces choses ne s’oublient pas lorsque vous coupez la tension. C’est non volatil. Donc, il se réveille et il sait exactement dans quel état il se trouve.”

La ferrite de bismuth est généralement un isolant, mais l’application d’un champ électrique au super-réseau modifie sa résistivité de cinq ordres de grandeur, le transformant en semi-conducteur. La technique génère également des changements dans la réponse optique non linéaire du matériau de plus de trois ordres de grandeur et peut “effacer” sa polarisation.

Jusqu’à présent, la tension a presque toujours rompu ou supprimé la symétrie. Les chercheurs disent qu’il est sans précédent de trouver un système qui peut également l’allumer ou le ramener.

L’équipe espère que le contrôle électrique de symétrie conduira à des découvertes dans d’autres domaines.

“La ferrite de Bismith est un ferroélectrique, et c’est un antiferromagnétique faible. Elle a donc les deux, ce qui est déjà assez rare dans la nature”, a déclaré Shao. “Maintenant que nous pouvons allumer et éteindre la ferroélectricité, nous pensons : pouvons-nous également allumer et éteindre le magnétisme ?”