Учёные обнаружили новый механизм переключения поляризации в скользящих сегнетоэлектриках

Аномальная температурная зависимость переключения поляризации в скользящих сегнетоэлектриках, вызванная движением доменных стенок с эффектом сверхмалого трения. В отличие от типичного поведения, скорость движения доменных стенок увеличивается при понижении температуры, что указывает на уникальный механизм переключения с низким рассеиванием. Авторы: Ке, Лю и Лю.

Скользящие сегнетоэлектрики — это двумерные (2D) материалы, созданные путём стэкинга неполярных монослоёв (атомарно тонких слоёв без электрического диполя). При их объединении возникает сегнетоэлектрический материал с внутренней поляризацией (спонтанным разделением положительных и отрицательных зарядов), которую можно переключать с помощью внешнего электрического поля, перпендикулярного слоям.

Понимание механизмов переключения поляризации в таких материалах — ключевая задача для физики и материаловедения. Это может помочь в разработке новых наноразмерных электронных устройств и квантовых технологий.

Исследователи из Университета Уэстлейк и Университета электронных наук и технологий Китая обнаружили новый механизм переключения поляризации. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters (PRL), показала, что переключение поляризации происходит за счёт волнообразного движения доменных стенок (границ между областями с противоположной поляризацией), а не синхронного сдвига целых монослоёв, как предполагалось ранее.

«В последние годы скользящие сегнетоэлектрики привлекают значительное внимание благодаря потенциалу расширения семейства ван-дер-ваальсовых сегнетоэлектриков в низкоразмерных системах», — пояснил старший автор исследования Ши Лю. «Ключевая идея — создание внеплоскостной поляризации в двумерных структурах путём стэкинга неполярных монослоёв с точно настроенными межслойными сдвигами. Это открывает захватывающие возможности для новых функций в наноразмерных устройствах».

Учёные использовали молекулярно-динамическое моделирование (MD) и нейросетевую модель Deep Potential (DP), обученную на квантово-механических расчётах. Это позволило с высокой точностью смоделировать процесс переключения поляризации под действием электрического поля.

Оказалось, что:

• Одно лишь перпендикулярное электрическое поле не может изменить поляризацию в скользящих сегнетоэлектриках.
• Переключение происходит через доменные стенки, чья скорость движения увеличивается при понижении температуры — в отличие от обычных сегнетоэлектриков.

Этот феномен, названный «сверхскользящим движением доменных стенок», может найти применение в наноустройствах, работающих при криогенных температурах.

«В будущем мы планируем изучить релятивистскую кинематику доменных стенок при низких температурах, чтобы понять, как квантовые эффекты влияют на структурную динамику», — добавил Лю.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters: Changming Ke et al, Superlubric Motion of Wavelike Domain Walls in Sliding Ferroelectrics (2025). DOI: 10.1103/jhlq-2dd7