公眾可能會認為21世紀是一個革命性技術(shù)平臺的時代，如智能手機或社交媒體。但對于許多科學(xué)家來說，本世紀是另一種平臺的時代：二維材料及其意想不到的秘密。

這些 2-D材料 可以在結(jié)晶片中制備，如單個單層薄，只有一個或幾個原子厚。在單層內(nèi)，電子受限于它們?nèi)绾我苿樱合衿灞P游戲中的碎片一樣，它們可以從前到后，從一側(cè)到另一側(cè)或?qū)蔷€移動 - 但不能向上或向下移動這種約束使單層膜在功能上是二維的。

二維領(lǐng)域揭示了量子力學(xué)預(yù)測的屬性 - 基于概率波的規(guī)則構(gòu)成了所有物質(zhì)行為的基礎(chǔ)。自 2004年首次推出石墨烯(第一個單層)以來 ，科學(xué)家已經(jīng)分離出許多其他二維材料，并證明它們具有獨特的物理和化學(xué)特性，可以改變計算和電信等領(lǐng)域。

對于由華盛頓大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團隊來說，一種金屬化合物的二維形式 - 鎢二碲化物，或WTe 2 - 是一大堆量子揭示。在“ 自然 ”雜志在線發(fā)表的 一篇 論文中 ，研究人員報告了他們關(guān)于WTe 2的最新發(fā)現(xiàn)：它的2-D形式可以進行“鐵電轉(zhuǎn)換”。他們發(fā)現(xiàn)當兩個單層結(jié)合在一起時，由此產(chǎn)生的“雙層”形成了自發(fā)的電極化。 。可以通過施加的電場在兩個相反的狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)該極化。

“在這種二維材料中發(fā)現(xiàn)鐵電轉(zhuǎn)換是一個完全的驚喜，”資深作者，物理學(xué)教授大衛(wèi)科布登說 。“我們并沒有尋找它，但我們看到了奇怪的行為，在對其性質(zhì)做出假設(shè)之后，我們設(shè)計了一些實驗證明它很好。”

具有鐵電性質(zhì)的材料可以應(yīng)用于存儲器，電容器，RFID卡技術(shù)甚至醫(yī)療傳感器。

“將鐵電體視為大自然的轉(zhuǎn)變，”科布登說。“鐵電材料的極化狀態(tài)意味著材料內(nèi)部的電荷分布不均勻 - 當發(fā)生鐵電轉(zhuǎn)換時，電荷一起移動，而不是像基于晶體管的人工電子開關(guān)那樣。”

UW團隊 從其三維結(jié)晶形式創(chuàng)建了WTe 2單層膜，該結(jié)構(gòu)由 橡樹嶺國家實驗室的Jiaqiang Yan和諾克斯維爾田納西大學(xué)的趙志英共同種植 。然后，UW團隊在無氧隔離箱中工作以防止WTe 2 降解，使用透明膠帶 從晶體中剝離薄片WTe 2 - 這種技術(shù)被廣泛用于分離石墨烯和其他2-D材料。通過隔離這些板材，他們可以測量它們的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而發(fā)現(xiàn)鐵電特性。

WTe 2 是第一種經(jīng)過鐵電轉(zhuǎn)換的剝落2-D材料。在此發(fā)現(xiàn)之前，科學(xué)家們只看到了電絕緣子中的鐵電開關(guān) 。但是WTe 2不是電絕緣體; 它實際上是一種金屬，雖然不是很好。Cobden表示 ，與許多傳統(tǒng)的3-D鐵電材料不同，WTe 2還可以在室溫下保持鐵電開關(guān)，并且其開關(guān)可靠并且不會隨著時間的推移而降低。這些特性可使WTe 2 成為比其他鐵電化合物更小，更強大的技術(shù)應(yīng)用的有前途的材料。

“我們在WTe 2中看到的物理特性的獨特組合 提醒人們，在二維材料中可以觀察到各種新現(xiàn)象，”科布登說。

鐵電轉(zhuǎn)換是Cobden和他的團隊對單層WTe 2進行的第二次重大發(fā)現(xiàn)。在2017 年自然物理學(xué)論文中 ，該團隊報告稱這種材料也是一種“拓撲絕緣體”，這是具有這種奇特性質(zhì)的第一種二維材料。

在拓撲絕緣體中，電子的 波函數(shù) - 它們的量子力學(xué)狀態(tài)的數(shù)學(xué)總結(jié) - 具有一種內(nèi)置的扭曲。由于難以消除這種扭曲，拓撲絕緣體可以應(yīng)用于量子計算 - 這一領(lǐng)域旨在利用電子，原子或晶體的量子力學(xué)特性來產(chǎn)生比當今技術(shù)指數(shù)級更快的計算能力。UW團隊的發(fā)現(xiàn)也源于David J. Thouless開發(fā)的理論 ，他是一位物理學(xué)榮譽退休教授， 分享2016年諾貝爾物理學(xué)獎 ，部分原因是他在二維領(lǐng)域的拓撲學(xué)研究。

科布登和他的同事計劃繼續(xù)探索單層WTe 2 ，看看他們還能學(xué)到什么。

“到目前為止，我們對WTe 2所測量的所有內(nèi)容 都有一些驚喜，”科布登說。“想想下一步我們會發(fā)現(xiàn)什么是令人興奮的。”