Forskere dykker dybt ind i en skjult verden af ​​kvantetilstande

Et forskerhold ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en teknik, der kan føre til nye elektroniske materialer, der overgår de begrænsninger, som Moores lov pålægger, som forudsagde i 1975, at antallet af transistorer pakket ind i en lille siliciumbaseret computerchip ville fordobles hvert andet år. Deres resultater blev rapporteret i tidsskriftet Naturkommunikation .

I jagten på nye materialer med potentiale til at overgå silicium, videnskabsmænd har ønsket at drage fordel af de usædvanlige elektroniske egenskaber ved 2-D-enheder kaldet oxidheterostrukturer, som består af atomisk tynde lag af materialer indeholdende ilt.

Forskere har længe vidst, at oxidmaterialer, på egen hånd, er typisk isolerende - hvilket betyder, at de ikke er elektrisk ledende. Når to oxidmaterialer er lagdelt sammen for at danne en heterostruktur, nye elektroniske egenskaber såsom superledning - den tilstand, hvor et materiale kan lede elektricitet uden modstand, typisk ved hundredvis af grader under frysepunktet - og magnetisme dannes på en eller anden måde ved deres grænseflade, som er det tidspunkt, hvor to materialer mødes. Men meget lidt er kendt om, hvordan man kontrollerer disse elektroniske tilstande, fordi få teknikker kan sondere under grænsefladen.

Nu, det Berkeley Lab-ledede team - instrueret af Alessandra Lanzara, en senior videnskabsmand ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i fysik ved UC Berkeley – har demonstreret en teknik, der kaster lys over produktionen af ​​nye eksotiske tilstande, såsom superledning fra atomisk tynde oxidheterostrukturer.

Hos Berkeley Labs avancerede lyskilde, forskerne brugte en speciel teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) til direkte at måle den elektroniske struktur af elektroner indespærret mellem lag af en strontiumtitanat/samariumtitanat-heterostruktur.

Sondering i en dybde på cirka 1 nanometer (en milliardtedel af en meter) inde i prøven, forskerne opdagede to unikke elektroniske egenskaber - kaldet en Van Hove-singularitet (VHS) og Fermi-overfladetopologi - som fysikere af kondenseret stof længe har betragtet som vigtige funktioner til tuning af superledning og andre sådanne eksotiske elektroniske tilstande i elektroniske materialer.

Forskernes observation af VHS- og Fermi-overfladetopologi ved grænsefladen mellem atomisk tynde oxidmaterialer for første gang tyder på, at systemet er en ideel platform til at undersøge, hvordan man kontrollerer superledning på atomær skala i 2-D-materialer.

"Vores resultater tilføjer nye stykker information til dette unge felt. Mens vejen mod industriel brug af oxidelektronik stadig er langt, vores arbejde er et skridt fremad i udviklingen af ​​næste generations alternativer til traditionel elektronik ud over Moores lov, " sagde hovedforfatter Ryo Mori, en doktorgradsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og Ph.D. studerende i fysik ved UC Berkeley.

Forskerne planlægger derefter yderligere at undersøge, hvordan elektroniske egenskaber såsom Van Hove-singulariteter ændrer sig ved højere temperaturer og forskellige spændinger.