Un nuovo tassello si aggiunge alla ricerca sui materiali bidimensionali, una delle frontiere più promettenti per l’elettronica di nuova generazione. Uno studio condotto dall’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Modena (Cnr-Nano) insieme all’Università di Modena e Reggio Emilia (Unimore), pubblicato sulla rivista Nature Communications, offre una nuova chiave di lettura per comprendere un fenomeno ancora poco esplorato: la cosiddetta ferroelettricità di scorrimento. La ricerca, firmata da Massimo Rontani e Daniele Varsano del Cnr-Nano insieme a Elisa Molinari e Matteo D’Alessio di Unimore, affronta un nodo scientifico ancora aperto nel campo della ferroelettricità. Si tratta della proprietà di alcuni materiali di possedere una polarizzazione elettrica spontanea e reversibile, la cui direzione può essere modificata applicando un campo elettrico esterno.
Questa caratteristica permette ai materiali di assumere due stati distinti e controllabili, utilizzabili per rappresentare informazioni in modo analogo ai bit delle memorie digitali. Una proprietà che è alla base di tecnologie avanzate, come memorie non volatili e sistemi neuromorfici, progettati per imitare il funzionamento delle reti neurali del cervello umano. Negli ultimi anni i ricercatori hanno osservato, in alcuni materiali bidimensionali costituiti da strati atomici sovrapposti, una nuova manifestazione di questo fenomeno.
“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”.
Proprio la stabilità di questi stati rappresentava finora uno degli aspetti meno chiari. Lo studio del gruppo modenese propone una spiegazione teorica che lega questa caratteristica alla natura stessa dei materiali bidimensionali e ai fenomeni quantistici che emergono quando gli elettroni sono confinati in spazi estremamente ridotti.
“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”.
Secondo i ricercatori, i risultati ottenuti potrebbero avere implicazioni che vanno oltre i materiali finora studiati. Il fenomeno potrebbe infatti essere esteso a un’intera classe di materiali bidimensionali, aprendo nuove prospettive nella progettazione di componenti elettronici caratterizzati da maggiore velocità di elaborazione, minori consumi energetici e una più semplice integrazione nei circuiti del futuro.
Lo studio è stato realizzato attraverso simulazioni avanzate basate su calcoli “da principi primi”, ossia costruiti direttamente a partire dalle leggi fondamentali della fisica, integrati con modelli teorici sviluppati specificamente per l’indagine e supportati da infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni. La ricerca si inserisce nelle attività dedicate ai materiali quantistici sviluppate presso il Cnr-Nano di Modena, con il sostegno 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.
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