Symmetry Strategy for Rapid Discovery of Abundant Fractional Quantum Ferroelectrics

铁电性 极化(电化学) 极地的 凝聚态物理 单层 量子 分子对称性 物理 格子(音乐) 量子力学 材料科学 纳米技术 化学 分子 电介质 物理化学 声学
作者
Guoliang Yu,Junyi Ji,Yingwei Chen,Changsong Xu,Hongjun Xiang
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:134 (1): 016801-016801 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevlett.134.016801
摘要

Traditional ferroelectrics are limited by Neumann's principle, which confines exploration of ferroelectrics within polar point groups. Our recent work [Ji et al., Nat. Commun. 15, 135 (2024)NCAOBW2041-172310.1038/s41467-023-44453-y] proposes the concept of fractional quantum ferroelectricity (FQFE) that extends the playground of ferroelectricity to nonpolar point groups. Here, we apply group theory and introduce an efficient symmetry strategy to identify FQFE candidates. Integrated with a high-throughput screening scheme, we go through 171 527 materials and identify 221 potential FQFE candidates, which are already experimentally synthesized. In addition, we point out for the first time that the essence of FQFE is fractional atomic displacements with respect to lattice vectors, which can actually result in both fractional (type I) and integer (type II) quantized polarization, respectively. Through performing first-principles calculations, we verify the symmetry-predicted switchable FQFE properties in bulk AlAgS_{2} and monolayer HgI_{2}. Notably, AlAgS_{2} exhibits an ultralow switching barrier of 22 meV/f.u. and interlocked in-plane/out-of-plane polarization, while HgI_{2} displays large spontaneous polarization of 42 μC/cm^{2}. Our findings not only advance the understanding on FQFE, but also offer guidance for experimental exploration and design of novel ferroelectric materials.
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