Eksotiske elektron-elektron-interaktioner fundet unødvendige for ledning i nikkelater

Nogle metaloxider, såsom nikkelater, har en justerbar resistivitet, hvilket gør dem til et interessant materiale til tilpasningsdygtig elektronik og kognitiv databehandling. Disse materialer kan ændre deres natur fra metallisk til isolerende. Hvordan præcis denne metal-isolator-overgang finder sted, er et emne af stor interesse i det kondenserede stofs fysik. Imidlertid, selv den metalliske adfærd i nikkelater virker usædvanlig. Forskere fra universitetet i Groningen, sammen med kolleger fra Spanien, har nu fundet ud af, at det ikke er så komplekst som tidligere antaget. Resultaterne blev offentliggjort den 11. juni i tidsskriftet Naturkommunikation .

I et metal, elektroner kan bevæge sig frit, hvorimod i isolatorer, de er stærkt lokaliseret omkring atomkernerne. Når et metal opvarmes, ionernes vibrationer (kaldet fononer) spreder de bevægelige elektroner og øger resistiviteten. I modsætning, opvarmning kan generere ledningsevne i nogle isolatorer, når elektroner modtager nok energi til at blive frigivet og krydser energibåndspalten, der ellers forhindrer dem i at bevæge sig.

Eksotiske forklaringer

"I nogle oxider, såsom nikkelater, en overgang fra isolator til metal kan forekomme, men det er ikke klart, hvordan dette sker, " siger Beatriz Noheda, professor i funktionelle nanomaterialer og direktør for Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) ved University of Groningen. Hun og hendes ph.d. studerende Qikai Guo er interesseret i nikkelater, fordi det er muligt at justere deres resistivitet. De kunne bruges i enheder, der efterligner den måde, som synapser i vores hjerne fungerer på.

"Før vi kan gøre dette, vi bør forstå, hvad arten af ​​den enkleste tilstand, metaltilstanden, er. Det betyder at forstå, hvordan elektroner bevæger sig rundt i materialet, når et elektrisk felt påføres dem, " forklarer Noheda. En lineær ændring i resistivitet (en eksponent på 1 i kurven, der repræsenterer resistiviteten som funktion af temperatur) kan forklares med en simpel model, hvor elektronerne hæmmes af ionernes vibration. "Men, for en eksponent, der ikke er 1, mere eksotiske forklaringer er blevet foreslået, baseret på tilstedeværelsen af ​​fluktuationer i spin af nikkelelektronerne og elektron-elektron interaktioner, der opstår, når systemet er tæt på et kvantekritisk punkt."

Stamme

Imidlertid, i tynde film af neodymnikkelat (NdNiO ₃ ), Noheda og hendes team observerede, at eksponenten var 1 i nogle prøver, mens i andre prøver af samme materiale, det var ikke. Dette tyder på, at eksponenten ikke er en iboende egenskab. Noheda:"Det fik os til systematisk at se på prøver dyrket på forskellige substrater." Resultaterne viste, at i perfekte film, eksponenten er 1, hvilket betyder, at resistiviteten er forårsaget af fononer, som det er i normale metaller. Imidlertid, når det anvendte substrat inducerer belastning i den tynde film, eksponenten ændres.

Belastningen fører til ilttomgange i krystallerne og ændrer kræfterne mellem ionerne og, derfor, de elektroniske energier. At, på tur, ændrer materialernes resistivitet. "Det, vi fandt ud af, er, at vi kan kontrollere antallet af ledige stillinger og løbende justere resistivitetseksponenten efter behag, som er en tuning-knap, som vi ikke vidste, vi havde. Dermed, forståelse af metaltilstanden i disse nikkelater kræver muligvis ikke eksotiske elektron-elektron-interaktioner, " slutter Noheda.

Synaptiske enheder

At lære at kontrollere metaltilstanden og overgangen til isolatortilstanden vil hjælpe videnskabsmænd med at designe elektronik baseret på nikkelater, som kan efterligne den måde, neuroner fungerer på. Det er det ultimative mål for Noheda og hendes team. "Vi ved nu, at disse nikkelater minder mere om normale metaller, end vi tidligere troede. Det betyder, at de kan være ganske gode ledere, hvis vi sikrer, at der ikke er ion-tomrum i krystallen. overgangen til den isolerende fase medfører større ændringer i modstanden, fører til synaptiske enheder med forbedret plasticitet."

I disse forsøg, ændringen i resistivitet i disse nikkelater blev induceret af en stigning i temperaturen. "Dette er selvfølgelig ikke ideelt, når du vil lave en enhed. Vores næste skridt er at designe materialet på en sådan måde, at vi kan justere resistiviteten ved hjælp af et elektrisk felt, " slutter Noheda.