博科園-科學科普-物質科學類對於公眾而言，21世紀或許是一個科技革命的時代，例如智慧型手機或社交媒體的出現，徹底改變了現代人的生活方式。但對於許多科學家來說，21世紀還是二維材料的時代。
二維材料可以用非常薄的晶體片來製備，厚度可薄到單原子層的大小——只有一個或幾個原子那麼厚。在單層材料中，電子的運動方式會受到限制：就像棋盤遊戲中的棋子一樣，可以前後左右、也可沿對角線移動，但就是不能上下移動——電子運動的這種限制，使得單層結構具有成為二維材料的功能。
二維領域揭示的是量子力學所預測的諸多性質。自第一個單層石墨烯於2004年亮相以來，科學家已經成功分離出許多其他的二維材料，並發現，它們都具有獨特的物理和化學性質。這些性質或許能為計算機和通信等多個領域帶來革命性的變化。
7月23日，在一篇發表於《自然》期刊上論文中，科學家報導了一種二維的金屬化合物——二碲化鎢（WTe）——的新屬性。研究人員驚喜地發現，WTe的二維形式可以經歷「鐵電開關」（ferroelectric switching）：當兩個單層結合在一起時，產生的「雙層」就會自發地發生電極化。這種極化可以通過外加的電場，在兩個相反的狀態之間翻轉。
論文的資深作者、華盛頓大學的物理學教授David Cobden說：「在這種二維材料中發現鐵電開關完全是一個驚喜。我們並沒有在尋找這一性質，但卻看到了這些奇怪的行為，在對它的性質做出假設之後，我們設計了一些實驗，結果很好地證實了它。」
當WTe的兩個單層疊加成雙層時，會自發的出現極化，一層帶正電，另一層帶負電。這種極化可以通過施加電場來翻轉。圖片：Joshua Kahn
具有鐵電性質的材料可被應用於內存存儲、電容器、RFID卡技術、甚至是醫療傳感器上。Cobden說：「鐵電性可被看作是大自然的開關。鐵電材料的極化狀態，意味著這些材料內部的電荷分布不均勻——而當鐵電開關發生時，電荷會集體性地移動，就像在以電晶體為基礎的人工電子開關中那樣。」
研究人員用三維晶體形式製造出WTe單分子層，然後再將它們移到一個無氧的隔離箱中，以防止WTe降解，他們使用透明膠帶將WTe的薄片從晶體中剝離——這是一種廣泛用於分離石墨烯和其他二維材料的技術。當這些薄片被分離出來後，科學家就可以測量它們的物理和化學性質，從而導致了鐵電性質的發現。
WTe是目前剝離出的第一個表現出鐵電開關的二維材料。在此發現之前，科學家只在電絕緣體中看見過鐵電開關。但顯然，WTe並不是電絕緣體，它實際上是一種金屬，儘管不能算得上是非常好的金屬。WTe還能在室溫下保持鐵電開關的特性，而且它的轉換是可靠的、且不隨著時間的推移而退化的，這與許多傳統的三維鐵電材料有所不同。這些特性或許能使WTe比其他鐵電化合物成為更有應用前景的材料。
研究人員認為，他們在WTe材料中看到的獨特的物理特性意味著，在二維材料中，他們能觀察到各種各樣的新現象。鐵電開關是研究人員此次對單層WTe作出的第二個重大發現。在2017年發表在《自然-物理》期刊上的一篇論文中，Cobden和他的研究團隊報告說，這種材料也是一種「拓撲絕緣體」，這是第一種具有這種奇異特性的二維材料。
在拓撲絕緣體中，電子的波函數（即電子的量子力學狀態的數學描述）有一種內在的扭曲。正因為消除這種扭曲存在一定困難，才使得拓撲絕緣體可被應用於量子計算（試圖利用電子、原子或晶體的量子力學屬性，產生計算能力比當今技術要快得多的領域）中。這一新的發現源於物理學家David J. Thouless開發的理論，2016年，他因對在二維領域的拓撲研究，而獲得2016年諾貝爾物理學獎（詳見：《歡迎來到奇異物質的量子世界》）。
由於到目前為止，研究人員對WTe作出的所有測量結果都或多或少的帶來了一定的驚喜，因此他們計劃將繼續對單層的WTe材料進行更深入地探索，以求獲得更多的發現。
博科園-科學科普｜文：James Urton/原理/principia1687
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