（a） A、B 亚晶格位点之间具有细胞内跳跃 t+δt 和细胞间跳跃 t−δt 的一维 SSH 原子链示意图。在交错的亚晶格势εA≠εB下形成极性结构。（b） d矢量的缠绕，因为动量k在一维布里渊区绝热变化。Berry 相位由立体角的 1/2 给出Ω由 d 代替。图片来源：Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.196801

不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的量子理论家提出了一种研究层状二维实验室生长材料中堆叠铁电性（自发电极化）的新方法。

铁电材料的独特之处在于它们在电场被移除后“记住”其新状态的能力，这使得它们在太阳能电池技术和紧凑型存储设备等应用中很有用。

“近年来，我们一直在学习量子几何学是材料一系列令人惊讶的可观测特性的基础，”UBC Blusson QMI副科学主任、物理与天文学系教授Marcel Franz博士说。“这项工作为越来越多的现象增加了一个重要的新条目，可以使用这种迷人的几何方法来阐明这些现象。

铁电性是一种允许材料具有内置电极化的特性。铁电材料具有可切换的极化，可以通过电场控制，而堆叠铁电体是通过组装两个原子薄的非极性层形成的，这些非极性层通过其特殊的堆叠方式产生极化。

“我们发现中最令人兴奋的部分是，堆叠铁电背后的基本物理学实际上可以理解为一种几何性质，”UBC Blusson QMI博士后研究员Benjamin 周博士说，该研究的主要作者发表在《物理评论快报》杂志上。

“为了在堆叠铁电性和几何形状之间建立有意义的联系，我们必须对不同类型的铁电材料进行详细的模型分析和严格的数值计算，例如蜂窝双层、菱面体双层二硫化钼（3R-MoS2）和双层二碲化钨（WTe2），“周博士说。“结果证实，我们的几何方法适用于所有这些材料。

到目前为止，科学家们已经以两种方式研究了堆叠铁电材料：对称性分析，确定材料是否可以极性，以及提供极化幅度的计算方法。然而，这些方法在描述极化的鲁棒性方面存在局限性。

新的量子几何方法允许研究人员将偏振特性视为模型的几何特征，他们使用在球体上移动的矢量的视觉表示来描述。

“对于每种堆叠的铁电材料，其相应的单位矢量在整个球体上的轨迹是独一无二的，使我们能够轻松识别极化的鲁棒性，并预测哪些类型的材料可以表现出强极性，”周博士说。“这一发现为我们提供了一个新的强大的视角来研究铁电体的潜在物理学。

这项研究的灵感来自Blusson QMI研究员Ziliang Ye博士领导的先前实验工作，该实验发表在Nature Photonics上，周和Franz为理论解释做出了贡献。Ye 团队在 2022 年展示的结果是世界上第一个通过原子层之间设计的堆叠顺序实现铁电自发极化的实验之一。

“现代极化理论使用Berry相位概念来解释体铁电体，这对于在2D极限中堆叠铁电体变得棘手。我们的几何方法将二维铁电体中极化的起源与Berry相概念重新联系起来，“Franz小组的博士生Vedangi Pathak说，他是该研究的合著者。

“我们的工作提供了一个非常简单的框架，任何有物理学背景的人都可以在他们的研究中使用。

更多信息：Benjamin T. 周 等人，平面外堆叠铁电的量子几何起源，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.196801在arXiv上：。DOI： 10.48550/arxiv.2309.00728

期刊信息： Nature Photonics ， Physical Review Letters ， arXiv