مواد فرئوالکتریک شباهت زیادی به مواد فرئومغناطیس دارند، با این تفاوت که فرئوالکتریک‌ها به جای ممان مغناطیسیِ دائمیِ دوقطبی، دارای ممان دوقطبی الکتریکی دائمی هستند. با توجه به اینکه ممان الکتریکی دو قطبی در مواد فرئوالکتریک به راحتی تحت تاثیر میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد، و تولید میدان الکتریکی نیز به مراتب ساده‌تر از تولید میدان مغناطیسی است، محدوده بسیار وسیعی از کاربرد را می‌توان برای مواد فرئوالکتریک در نظر گرفت. یکی از این کاربردهای ممکن، استفاده در تراشه‌های حافظه است که داده‌ها را بر اساس لایه‌های نازک فرئوالکتریکیِ قطبیده ذخیره می‌کند. البته باید در نظر داشت که هر چه این مواد نازک‌تر شوند، خاصیت فرئوالکتریسته در آن‌ها نمود بیشتری پیدا می‌کند و از این رو استفاده از آن‌ها را در ابزارهای الکترونیکی مدرن دچار مشکل می‌کند.

 گروهی از محققان به سرپرستی چنگ بیوم یوم (Chang Beom Eom) از دانشگاه ویسکانزین-مدیسون دریافتند که یک لایه نازک از ماده‌ای که به طور طبیعی از نظر الکتریکی قطبیده نیست می‌تواند با بهره‌گرفتن از وجود نانونواحی بسیار ریز قطبی در ماده قطبیده شود. یوم می‌گوید: «این اتفاق زمانی روی می‌دهد که لایه‌ی موردنظر به قدری نازک باشد که حجم کلی آن توسط این نانو نواحی اشغال شود». یوم در ادامه توضیح می‌دهد: «زمانی که این‌ نواحی از نظر الکتریکی در یک جهت قرار بگیرند، در نهایت به به یک قطبش خالص منتهی خواهند شد که در نتیجه آن، ماده فرئوالکتریک می‌شود».

اثر فِلکسوالکتریک

کشف جدید این تیم در حقیقت از کار پیشین‌ آن‌ها سرچشمه می‌گیرد، که در آن دریافتند نانونواحی به طور طبیعی در لایه‌ها و کریستال‌های استرانسیوم-تیتانات که نه قطبی هستند و نه فرئوالکتریک ایجاد خواهند شد. الکسی گروورمن (Alexei Gruverman) یکی از اعضای این تیم از دانشگاه نباراسکا می‌گوید: «ما دریافتیم که می‌توان قطبش را در این ماده بدون اعمال هیچ‌گونه ولتاژی و صرفا با اعمال فشار بر لایه با استفاده از راس میکروسکوپ نیروی اتمی ایجاد کرد». او می‌افزاید:«وجود چنین کلیدهای بدون ولتاژی برای تولید فرئوالکتریک به خاطر اثر فلکسوالکتریک ممکن و شدنی هستند که در آن یک گرادیان فشاری-مکانیکی، قطبش الکتریکی القا می‌کند».

این محققان بر آن هستند تا ببینند آیا چنین اتفاقی در لایه‌های بسیار نازک‌تر از مواد غیرقطبی نیز روی می‌دهد یا خیر. یوم و گروورمن در این باره می‌گویند: «ما دریافتیم که اثر فلکسوالکتریک را تنها زمانی می‌توان در این مواد القا کرد که لایه‌ها بسیار نازک باشند». آن‌ها می‌افزایند: «دیدن این واقعیت که این لایه‌های نازک تقریبا مانند موادفرئوالکتریک رفتار می‌کنند بسیار ما را شگفت‌زده کرد. در واقع این مواد نه تنها با اعمال فشار مکانیکی می‌توانند دچار قطبش شوند بلکه با اعمال ولتاژ نیز قطبیده خواهند شد و البته این قطبش پایدار خواهد بود. کشف خارق‌العاده در این پدیده این موضوع است که هر چه قدر لایه نازک‌تر باشد، قطبش پایدارتر خواهد بود، و فرئوالکتریک‌ها تمایل دارند خلاف این رفتار کنند».

این محققان می‌گویند پس از کشف این پدیده، بلافاصله مشاهده خود را با کار قبلی خود بر روی نانونواحی قطبی ارتباط داده و اکنون می‌توانند به روشنی توضیح دهند که چگونه لایه‌های فوق‌نازکِ بدون-کشش، متفاوت از رفتار غیرفرئوالکتریکی استرانتیوم تیتانات، به فرئوالکتریک تبدیل می‌شوند. یوم می‌گوید: «همان‌طور که اشاره شد، زمانی که ضخامت لایه به اندازه یک نانونواحی قطبی منفرد کم ‌شود (که چند نانو متر امتداد دارد)، کل حجم لایه توسط آن‌ها اشغال شده و لایه درست مانند یک فرئوالکتریک رفتار می‌کند».

این محققان، اندازه‌گیری‌های فرئوالکتریک، میکروسکوپی نیروی پیزوالکتریک و میکروسکوپی الکترون گسیلی را بر روی این نمونه‌ها انجام دادند تا نتایج خود را به تایید برسانند.

استرانسیوم تیتانات خواص ابررسانایی و مغناطیسی دارد، و از این رو برای استفاده در محدوه وسیعی از ابزارها بسیار مفید خواهد بود. علاوه بر این به نظر می‌رسد که ماده‌ی خوبی نیز برای سلول‌های خورشیدی باشد.

منحصر به فرد یا همه‌جاحاضر

به گفته یوم و گروورمن آن‌ها هنوز نمی‌دانند که آیا اثری که کشف کرده‌اند تنها منحصر به استرانسیوم تیتانات است و یا در مواد دیگر نیز می‌توان آن‌ را مشاهده کرد. با این وجود آن‌‌ها امیدوارند این پدیده برای دی‌الکتریک‌های پروسکایتی نیز معتبر باشد که در آن نانونواحی قطبی می‌توانند به خوبی توسط مهندسی ناخالصی در ساختار کنترل شوند. اگر حدس آن‌ها درست باشد، ابزارهای نانومقیاسی را می‌توان طراحی کرد که در آن فرئوالکتریسته با ویژگی‌های دیگری مانند مغناطیس جفت شده باشد.

منبع: