Półprzewodniki, które przeczą prawom fizyki? Naukowcy rozwikłali wielką zagadkę

Półprzewodniki ferroelektryczne wzbudziły ogromne zainteresowanie fizyków, którzy widzą w nich potencjał dotyczący przechowywania informacji, projektowania energooszczędnych urządzeń, czujników przyszłości czy też instrumentów pozwalających na konwersję sygnałów elektrycznych, optycznych i akustycznych. Zanim jednak uda się tego dokonać, naukowcy muszą uporać się kwestią dotyczącą zachowania, które wydaje się niezgodne z prawami fizyki.
Półprzewodniki, które przeczą prawom fizyki? Naukowcy rozwikłali wielką zagadkę

Dokładniej rzecz ujmując, chodzi o sytuację, w której takie materiały mogą podtrzymywać dwie przeciwne polaryzacje elektryczne bez rozpadania się. W toku najnowszych eksperymentów przedstawiciele Uniwersytetu Michigan uzyskali odpowiedź na to palące pytanie. O dokonanych postępach członkowie zespołu badawczego piszą teraz na łamach Nature. Jak się okazuje, ten zagadkowy fenomen ma wyjaśnienie, które wcale nie musi wywracać świata nauki do góry nogami.

Czytaj też: Ten tajemniczy materiał zrewolucjonizuje komputery kwantowe. Tak to można przechowywać informacje

Rzeczone materiały, znane jako ferroelektryczne azotki wurcytu, wykazują podstawowy mechanizm przełączania ferroelektrycznego i kompensacji ładunku, choć zasady jego działania pozostawały nieznane. W praktyce oznacza to, że półprzewodniki mogą mieć polaryzację w jednym kierunku, lecz w obecności pola elektrycznego taka polaryzacja może podlegać odwróceniu. Co więcej, nawet jeśli pole elektryczne zostanie usunięte, ta zmieniona polaryzacja nie ulegnie ponownemu odwróceniu. 

Przeprowadzone eksperymenty doprowadziły ich autorów do wniosku, że w badanym materiale występuje pęknięcie na skalę atomową. Tam, gdzie mają ze sobą kontakt dwa dodatnie ładunki, struktura krystaliczna jest pęknięta i powstają wiązania zawierające ujemnie naładowane elektrony. Za ich sprawą równoważony jest nadmiar ładunku dodatniego na krawędzi każdej domeny w półprzewodniku.

Półprzewodniki mogłyby zostać wykorzystane do przechowywania informacji, projektowania energooszczędnych urządzeń, czujników przyszłości czy też instrumentów pozwalających na konwersję sygnałów elektrycznych, optycznych i akustycznych

Taki przebieg sytuacji nie jest jednak dziełem przypadku, lecz stanowi pokłosie unikalnej struktury materiały. Taki mechanizm jest bowiem spotykany we wszystkich tzw. tetraedrycznych ferroelektrykach. Badając ich sekrety, fizycy wykorzystali możliwości mikroskopii elektronowej, dzięki czemu zrozumieli, że w miejscu, gdzie spotykały się domeny, zwykła heksagonalna struktura krystaliczna była wygięta na kilku warstwach atomowych, co tworzyło wspomniane wiązania.

Czytaj też: Fizycy odkryli nowy wymiar światła. Jego powiązanie z czasem jest zadziwiające

Wchodzące w ich skład elektrony tworzą coś, co można określić mianem autostrady. Poruszają się nią ładunki, których jest około 100 razy więcej niż w konwencjonalnym tranzystorze azotku galu. Oddziałując na pole elektryczne, inżynierowie mogą wpływać na funkcjonowanie tej autostrady. Właśnie dlatego poczynione postępy mogą mieć przełożenie na tak wiele dziedzin. Wiedząc już, co tak naprawdę się dzieje, fizycy będą mogli wykonać teraz najważniejszy krok w całej sprawie.