U svijetu materijalne znanosti, fenomeni polarizacije i polariteta tradicionalno su se povezivali s izolatorima. Zamislite, međutim, situaciju u kojoj bi se ove značajke mogle inducirati u metalima, čime bi se potencijalno smanjili gubici energije povezani s poluvodičima i produljio vijek trajanja baterija u elektroničkim uređajima. Dosadašnje tehnologije pokazale su svoja ograničenja, unatoč intenzivnom istraživanju u akademskim krugovima s ciljem postizanja polarizacije i polariteta u metalima.

Nedavno otkriće, plod zajedničkog rada profesora Daesua Leea s Odjela za fiziku na Tehnološkom sveučilištu Pohang (POSTECH), profesora Tae Wona Noha i dr. Weija Penga s Odjela za fiziku i astronomiju na Nacionalnom sveučilištu u Seulu (SNU), te profesora Se Younga Parka s Odjela za fiziku na Sveučilištu Soongsil (SSU), dovelo je do pronalaska metode kojom se može inducirati i kontrolirati stanja polarizacije i polariteta unutar metala. Ovo revolucionarno istraživanje objavljeno je u online izdanju međunarodnog časopisa za fiziku Nature Physics 17. siječnja 2024.

Slobodni elektroni unutar metala, kako to i samo ime govori, imaju neograničeno kretanje, što otežava njihovo usmjeravanje u specifičnim smjerovima kako bi se inducirala stanja polarizacije ili polariteta. Osim toga, simetrična struktura kristala metala na oba kraja tradicionalno je predstavljala izazov u induciranju ovih električnih efekata.

Međutim, istraživački tim iskoristio je fleksoelektrična polja za implementaciju stanja polarizacije i polariteta unutar metala. Ova vrsta polja nastaje kada površina objekta prolazi kroz neujednačenu deformaciju, omogućujući manipulaciju kretanjem naboja i električnim karakteristikama kroz suptilne promjene u rešetkastoj strukturi metala. 

Takvim pristupom, tim je uspio premostiti prethodne prepreke, otvarajući potpuno novi put u razvoju poluvodičkih tehnologija s visokom energetskom učinkovitošću. Ovo otkriće ne samo da obećava značajna poboljšanja u performansama i dugovječnosti elektroničkih uređaja, već također postavlja temelje za buduće inovacije u oblasti materijalne znanosti i inženjerstva.

Tim je primijenio vanjski pritisak na široko korišteni stroncij rutenat (SrRuO3) u području elektroničkih komponenti i poluvodiča, stvarajući fleksoelektrično polje. Ovaj metalni oksid, koji karakterizira heteroepitaksija, gdje kristali stroncija i rutenij oksida različitih oblika rastu u istom smjeru, posjeduje centrosimetričnu strukturu.

Fleksoelektrično polje izmijenilo je elektroničke interakcije i rešetkastu strukturu unutar stroncij rutenata, uspješno inducirajući polarizaciju unutar metala, što je dovelo do transformacije njegovih električnih i mehaničkih svojstava te prekida prethodno centralno simetrične strukture. Koristeći fleksoelektričnu polarizaciju i kontrolu feromagnetskog metala, istraživački tim je uspješno razotkrio misterij implementacije polarizacije i polariteta unutar metalnih tvari.

Vodeći istraživač studije, profesor Daesu Lee s POSTECH-a, naglasio je: "Mi smo prvi istraživači koji su potvrdili univerzalnu implementaciju stanja polariteta unutar metalnih tvari. Nadam se da će nalazi iz ove studije biti korisni u izradi visoko učinkovitih uređaja unutar poluvodičkih i električnih polja."

Ovaj rad podržan je Programom za istraživače srednje karijere Nacionalne zaklade za istraživanje Koreje i Programom istraživačkog centra Instituta za osnovne znanosti u Koreji.

1. Polarizacija
Redistribucija centara pozitivnih i negativnih naboja unutar objekta ili materijala, tipično promatrana u izolatorima.

2. Polaritet
Posebno stanje objekta ili materijala koji je ili pozitivan ili negativan s obzirom na dva pola.

Ovim pristupom, istraživački tim ne samo da je proširio razumijevanje temeljnih principa uključenih u polarizaciju metala, već je i otvorio nove mogućnosti za razvoj naprednih tehnologija u polju elektronike i poluvodiča. Ovo istraživanje postavlja temelje za buduće inovacije koje bi mogle dovesti do proizvodnje energetski učinkovitijih i trajnijih elektroničkih uređaja, istodobno pružajući nove uvide u interakcije između elektroničkih i mehaničkih svojstava metala.

Izvor: Pohang University of Science and Technology