Onderzoekers vinden piepkleine 'draaikolken' in flinterdunne halfgeleider

Het onderzoeksteam legde twee atoomdunne lagen wolfraamdiseleniet (WSe₂) over elkaar en draaide ze slechts 0,1 graden ten opzichte van elkaar. Zo'n minieme verdraaiing lijkt weinig voor te stellen, maar zorgt voor een herhalend nanopatroon dat bekendstaat als een moiré-superrooster. Binnen dit patroon ontdekten de onderzoekers een netwerk van elektrische 'draaikolken': gebieden waar de elektrische polarisatie van het materiaal in kleine wervels ronddraait. Deze structuren heten merons en antimerons en zijn een voorbeeld van zogeheten topologische polaire nanostructuren.

Wervels zichtbaar gemaakt met precisiemicroscopie

Om de wervels daadwerkelijk in beeld te krijgen, gebruikten de onderzoekers een geavanceerde vorm van piezoresponse force microscopy (PFM), een techniek die gebruikmaakt van het piëzo-elektrisch effect: bepaalde materialen wekken een klein elektrisch signaal op zodra ze mechanisch vervormd worden. Door met een uiterst gevoelige naald over het oppervlak te bewegen, konden de wetenschappers de richting van de polarisatie op nanoschaal in kaart brengen. Dat leverde voor het eerst direct experimenteel bewijs op dat merons en antimerons echt bestaan in gedraaide tweedimensionale halfgeleiders. Eerdere studies naar dit soort structuren in van der Waals-materialen leverden tegenstrijdige interpretaties op, wat deze meting extra waardevol maakt.

Twist en spanning uit elkaar getrokken

Een belangrijke stap in het onderzoek was het onderscheid maken tussen twee effecten die vaak door elkaar lopen: de verdraaiing (twist) van de laagjes en de mechanische spanning (strain) die daarbij ontstaat. Door vectorkaarten van de polarisatie te maken, konden de onderzoekers precies berekenen welk deel van het waargenomen patroon door de twist komt en welk deel door spanning. Deze scheiding is cruciaal voor toekomstig onderzoek, omdat het aangeeft hoe je de wervelpatronen gericht zou kunnen aansturen. De metingen werden onderbouwd met theoretische modellen, waaronder berekeningen op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie en grootschalige moleculaire-dynamicasimulaties. Beide methoden voorspelden dezelfde ronddraaiende polarisatie en bevestigden de kenmerken die je van merons en antimerons zou verwachten.

Van dikke oxiden naar dunne chips

Tot nu toe waren dit soort topologische polaire structuren vooral bekend uit veel dikkere oxidematerialen. Dat ze nu ook opduiken in een halfgeleiderlaag van slechts een paar atomen dik, opent nieuwe mogelijkheden voor ultradunne elektronica. In theorie zouden de wervelpatronen aangestuurd kunnen worden met elektrische velden, mechanische spanning of een slim gekozen ondergrond, wat kan leiden tot geheugen- of schakelelementen die veel minder energie verbruiken dan bestaande chiptechnologie. Daarnaast biedt de gebruikte meettechniek onderzoekers een nieuw hulpmiddel om te bepalen of polarisatiepatronen in gedraaide tweedimensionale materialen worden veroorzaakt door twist, door spanning, of door een combinatie van beide.