对于公众而言，21世纪或许是一个科技革命的时代，例如智能手机或社交媒体的出现，彻底改变了现代人的生活方式。但对于许多科学家来说，21世纪还是
二维材料的时代。二维材料可以用非常薄的晶体片来制备，厚度可薄到单原子层的大小——只有一个或几个原子那么厚。在单层材料中，电子的运动方式会受到限制：就像棋盘游戏中的棋子一样，可以前后左右、也可沿对角线移动，但就是不能上下移动——电子运动的这种限制，使得单层结构具有成为二维材料的功能。
二维领域揭示的是量子力学所预测的诸多性质。自第一个单层石墨烯于2004年亮相以来，科学家已经成功分离出许多其他的二维材料，并发现，它们都具有独特的物理和化学性质。这些性质或许能为计算机和通信等多个领域带来革命性的变化。
7月23日，在一篇发表于《自然》期刊上论文中，科学家报道了一种二维的金属化合物——二碲化钨（WTe₂）——的新属性。研究人员惊喜地发现，WTe₂的二维形式可以经历“铁电开关”（ferroelectric switching）：当两个单层结合在一起时，产生的“双层”就会自发地发生电极化。
这种极化可以通过外加的电场，在两个相反的状态之间翻转。论文的资深作者、华盛顿大学的物理学教授David Cobden说：“在这种二维材料中发现铁电开关完全是一个惊喜。我们并没有在寻找这一性质，但却看到了这些奇怪的行为，在对它的性质做出假设之后，我们设计了一些实验，结果很好地证实了它。”
○ 当WTe₂的两个单层叠加成双层时，会自发的出现极化，一层带正电，另一层带负电。这种极化可以通过施加电场来翻转。| 图片来源：Joshua Kahn
具有铁电性质的材料可被应用于内存存储、电容器、RFID卡技术、甚至是医疗传感器上。
Cobden说：“铁电性可被看作是大自然的开关。铁电材料的极化状态，意味着这些材料内部的电荷分布不均匀——而当铁电开关发生时，电荷会集体性地移动，就像在以晶体管为基础的人工电子开关中那样。”
研究人员用三维晶体形式制造出WTe₂单分子层，然后再将它们移到一个无氧的隔离箱中，以防止WTe₂降解，他们使用透明胶带将WTe₂的薄片从晶体中剥离——这是一种广泛用于分离石墨烯和其他二维材料的技术。当这些薄片被分离出来后，科学家就可以测量它们的物理和化学性质，从而导致了铁电性质的发现。
WTe₂是目前剥离出的第一个表现出铁电开关的二维材料。在此发现之前，科学家只在电绝缘体中看见过铁电开关。但显然，WTe₂并不是电绝缘体，它实际上是一种金属，尽管不能算得上是非常好的金属。WTe₂还能在
室温下保持铁电开关的特性，而且它的转换是可靠的、且不随着时间的推移而退化的，这与许多传统的三维铁电材料有所不同。这些特性或许能使WTe₂比其他铁电化合物成为更有应用前景的材料。研究人员认为，他们在WTe₂材料中看到的独特的物理特性意味着，在二维材料中，他们能观察到各种各样的新现象。
铁电开关是研究人员此次对单层WTe₂作出的第二个重大发现。在2017年发表在《自然-物理》期刊上的一篇论文中，Cobden和他的研究团队报告说，这种材料也是一种“拓扑绝缘体”，这是第一种具有这种奇异特性的二维材料。
在拓扑绝缘体中，电子的波函数（即电子的量子力学状态的数学描述）有一种内在的扭曲。正因为消除这种扭曲存在一定困难，才使得拓扑绝缘体可被应用于量子计算（试图利用电子、原子或晶体的量子力学属性，产生计算能力比当今技术要快得多的领域）中。这一新的发现源于物理学家David J. Thouless开发的理论，2016年，他因对在二维领域的拓扑研究，而获得2016年诺贝尔物理学奖（详见：《欢迎来到奇异物质的量子世界》）。
由于到目前为止，研究人员对WTe₂作出的所有测量结果都或多或少的带来了一定的惊喜，因此他们计划将继续对单层的WTe₂材料进行更深入地探索，以求获得更多的发现。
原文链接：
http://www.washington.edu/news/2018/08/09/for-uw-physicists-the-2-d-form-of-tungsten-ditelluride-is-full-of-surprises/
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