Materiali bidimensionali: un passo avanti nella comprensione della ferroelettricità
Uno studio condotto dall’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Modena (Cnr-Nano) e dell’Università di Modena e Reggio Emilia fornisce un importante passo avanti nella comprensione dei materiali bidimensionali, promettenti per l’elettronica del futuro.
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, chiarisce un aspetto finora poco compreso della cosiddetta ferroelettricità di scorrimento, un fenomeno emergente nei materiali bidimensionali che potrebbe abilitare dispositivi elettronici più veloci e a minore consumo energetico.
Il lavoro, firmato da Massimo Rontani e Daniele Varsano del Cnr-Nano, insieme a Elisa Molinari e Matteo D’Alessio di Unimore, affronta un problema aperto nel campo della ferroelettricità, che è la proprietà di alcuni materiali di presentare una polarizzazione elettrica spontanea e reversibile, la cui direzione può essere controllata applicando un campo elettrico. Questo consente al materiale di assumere due stati distinti e controllabili, che possono essere utilizzati per rappresentare informazioni, in modo analogo ai bit nelle memorie digitali. Una caratteristica che è alla base di tecnologie come memorie non volatili e dispositivi neuromorfici.
“Recentemente, in alcuni materiali bidimensionali – composti da strati sovrapposti spessi pochi atomi – è stata osservata una nuova forma di ferroelettricità, detta ‘di scorrimento’: in questi sistemi la polarizzazione elettrica dipende da come gli elettroni si distribuiscono tra gli strati e può essere invertita facendo scorrere leggermente uno strato atomico rispetto all’altro”, spiega Matteo D’Alessio, dottorando in Physics and Nanosciences presso Unimore. “Questa proprietà potenzialmente apre la strada a dispositivi più rapidi ed efficienti, ma è essenziale capire e controllare la stabilità dei due stati con polarizzazione opposta e il processo che porta da uno all’altro”.
Finora i meccanismi alla base della stabilità (della ferroelettricità di scorrimento) non erano del tutto compresi: i ricercatori di Cnr Nano e Unimore hanno fornito una spiegazione teorica, mostrando che questa stabilità è legata alla natura bidimensionale del materiale, che esalta gli effetti quantistici. “Quando gli elettroni sono confinati in due dimensioni, si influenzano reciprocamente e tendono a comportarsi in modo collettivo, coordinando il loro moto. Questo comportamento rende la polarizzazione elettrica più robusta aumentando la barriera energetica che la protegge”, aggiunge Massimo Rontani (Cnr-Nano). “Si tratta di un meccanismo finora non considerato nei modelli teorici, che aiuta a comprendere meglio la ferroelettricità in questi nuovi materiali con alto potenziale applicativo”.
I risultati indicano che il fenomeno potrebbe estendersi a un’ampia classe di materiali bidimensionali, aprendo nuove prospettive per la progettazione di dispositivi elettronici più veloci, con consumi energetici ridotti e integrabili nei circuiti di nuova generazione.
Lo studio ha combinato simulazioni avanzate basate su calcoli “da principi primi”, cioè fondati sulle leggi fondamentali della fisica, con modelli sviluppati ad hoc, utilizzando infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni.
Le attività rientrano nelle ricerche sui materiali quantistici condotte presso il Cnr-Nano di Modena, con il supporto del Centro di Eccellenza europeo MaX (MAterials design at the eXascale), e di ICSC-Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing.
Didascalia immagine
Schema del materiale bidimensionale WTe₂ (ditellururo di tungsteno) e del processo di scorrimento tra gli strati. I grafici mostrano la barriera energetica associata alla polarizzazione: più alta quando si tiene conto del comportamento quantistico collettivo degli elettroni, più bassa se tale effetto non viene considerato.
