Ferroelettricità nei materiali 2D: lo studio CNR e Unimore

(Adnkronos) – Uno studio teorico condotto dall'Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Modena e dall'Università di Modena e Reggio Emilia ha chiarito i meccanismi microscopici che regolano la ferroelettricità di scorrimento. Questa proprietà, identificata in sistemi atomici ultrasottili, consiste nella capacità del materiale di esibire una polarizzazione elettrica spontanea e reversibile, dove l'inversione della carica viene determinata dallo slittamento meccanico di uno strato atomico rispetto a quello adiacente. I risultati della ricerca, pubblicati sulla rivista scientifica Nature
Communications, introducono nuovi parametri per la progettazione di dispositivi neuromorfici e memorie non volatili, simulando dinamiche quantistiche finora escluse dai modelli teorici convenzionali. L'elemento centrale della scoperta risiede nell'individuazione delle cause che garantiscono la stabilità dei due stati di polarizzazione opposta, una condizione essenziale per poter codificare le informazioni digitali sotto forma di bit binari. L'analisi condotta dai ricercatori evidenzia che il confinamento degli elettroni in una geometria bidimensionale amplifica le interazioni quantistiche mutue, inducendo le particelle a muoversi in modo collettivo e coordinato. Questa cooperazione elettronica genera una barriera energetica più elevata, che protegge la stabilità della polarizzazione e la rende robusta contro le perturbazioni esterne. Matteo D'Alessio, dottorando in Physics and Nanosciences presso Unimore, ha precisato l'importanza del fenomeno: “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. 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”. Sotto il profilo metodologico, l'indagine scientifica ha integrato l'utilizzo di simulazioni numeriche avanzate basate su calcoli da principi primi, ovvero modelli fisici predittivi che non utilizzano parametri empirici ma si fondano esclusivamente sulle leggi fondamentali della meccanica quantistica. L'elaborazione di queste architetture teoriche ha richiesto l'impiego di infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni, capaci di processare grandi moli di dati strutturali.  
Massimo Rontani, ricercatore di Cnr-Nano, ha chiarito la novità del modello: “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. 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”.  Le attività di ricerca si inseriscono nei programmi di studio sui materiali quantistici supportati dal Centro di Eccellenza europeo MaX e dall'ICSC, il Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing, delineando una prospettiva di trasferibilità di questi modelli a un'ampia classe di semiconduttori bidimensionali per circuiti integrati di nuova generazione.  Immagine di cover: 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.  
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