Grænsefladen mellem to ikke-ledende materialer kan være ledende

Hvordan kan en elektrisk ledende grænseflade opstå i krydset mellem to materialer, der ikke leder elektricitet? Siden et sådant fænomen blev opdaget i 2004, modstridende hypoteser er blevet fremsat for at besvare dette spørgsmål, hver med sine ivrige tilhængere og kritikere. Et internationalt hold, der samler forskere fra Paul Scherrer Institute (PSI), universitetet i Genève (UNIGE) og universitetet i Liège's afdeling for den teoretiske fysik af materialer har afklaret debatten.

Disse forskere har vist, at ledningsevnen er et resultat af en effekt, der er iboende til krydset mellem de to materialer, at tilbagevise den alternative hypotese om en ydre oprindelse forbundet med tilstedeværelsen af ​​ufuldkommenheder introduceret under det kryds, der udvikles. Grænsefladen mellem disse to forbindelser besidder fascinerende elektriske og magnetiske egenskaber, som giver et glimt af et vist antal anvendelser inden for elektronik og datalogi. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

I 2004 opdagede forskere et ledende lag ved grænsefladen mellem to isolerende oxider, SrTiO ₃ og LaAlO ₃ . Efter flere års intensiv forskning, oprindelsen af ​​ledningsevnen er stadig kontroversiel.

En tankegang forbinder denne ledning med egenskaber, der er iboende til krydset. I forenklede vendinger, den forskellige kemiske natur af de atomer, som udgør SrTiO ₃ og LaAlO ₃ menes at være ansvarlig for en ubalance i den elektriske ladning på den ene eller anden del af grænsefladen. For at kompensere for denne ubalance forudsiger teorien det for en kritisk tykkelse af LaAlO ₃ , det elektroniske system vil omarrangere sig selv ved at overføre elektroner til grænsefladen, dermed gør den ledende.

Denne forklaring, som går under navnet 'polar-katastrofe-modellen', sætter sit ansigt mod ideen om, at ufuldkommenheder, iboende til væksten af ​​laget af LaAlO ₃ , er roden til en kemisk doping af området af grænsefladen og genererer det ledende lag.

Det passende eksperiment

For at afklare denne strid, holdet af forskere kom med et eksperiment, der tillader en grundlæggende forudsigelse af 'polar-katastrofe' at blive testet for at validere denne forklaring.

Forsøget bestod i at erstatte et af materialerne, LaAlO ₃ , ved dets legering med den anden forbindelse, modificerer således ladningsubalancen ved grænsefladen. På universitetet i Liège, Denis Fontaine og Philippe Ghosez forudsagde teoretisk effekten af ​​denne ændring på den kritiske tykkelse. PSI- og UNIGE-grupperne producerede prøver og målte dem. Disse eksperimenter viste, at forholdet mellem den kritiske tykkelse og sammensætningen af ​​legeringen perfekt matchede den teoretiske forudsigelse, demonstrerer fænomenets iboende oprindelse.

Talrige applikationer i sigte

Denne ledende grænseflade kan spille en vigtig rolle i fremtidige applikationer såsom transistorer eller sensorer. Det faktum, at oprindelsen af ​​ledningsevnen er iboende for systemet, er et plus for udviklingen af ​​oxidbaseret elektronik.