Eksotisk materiale er som en switch, når det er super tyndt

(Phys.org) —Ever krympende elektroniske enheder kan komme ned til atomdimensioner ved hjælp af overgangsmetaloxider, en klasse materialer, der synes at have det hele:superledning, magnetoresistens og andre eksotiske egenskaber. Disse muligheder har forskere begejstret for at forstå alt om disse materialer, og at finde nye måder at kontrollere deres egenskaber på på de mest fundamentale niveauer.

Forskere fra Cornell og Brookhaven National Laboratory har vist, hvordan man skifter et bestemt overgangsmetaloxid, et lanthannikkelat (LaNiO ₃ ), fra et metal til en isolator ved at gøre materialet mindre end en nanometer tykt.

Holdet, som offentliggjorde sine resultater i april-udgaven af Naturnanoteknologi , omfatter hovedforsker Kyle Shen, lektor i fysik; første forfatter Phil King, en nylig Kavli postdoktor ved Cornell nu på fakultetet ved University of St. Andrews; Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson professor i industriel kemi; og medforfattere Haofei Wei, Yuefeng Nie, Masaki Uchida, Carolina Adamo, og Shabo Zhu (Cornell), og Xi He og Ivan Božović (Brookhaven National Laboratory).

Ved at bruge en ekstremt præcis vækstteknik kaldet molecular-beam epitaxy (MBE), King syntetiserede atomisk tynde prøver af lanthan -nikkelatet og opdagede, at materialet pludselig skifter fra et metal til en isolator, når dets tykkelse reduceres til under 1 nanometer. Når denne tærskel er overskredet, dets ledningsevne - elektronernes evne til at strømme gennem materialet - slukker som et lys, en egenskab, der kan vise sig nyttig i nanoskala-afbrydere eller transistorer, Sagde Shen.

Ved hjælp af et unikt system i Cornell, som integrerer MBE-filmvækst med en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), King og kolleger kortlagde, hvordan elektronernes bevægelser og interaktioner i materialet ændrede sig over denne tærskel, variere tykkelsen af ​​deres oxidfilm atom for atom. De opdagede, at når filmene var mindre end 3 nikkelatomer tykke, elektronerne dannede en usædvanlig nanoskalaorden, ligner et skakbræt.

Resultaterne viser evnen til at kontrollere de elektroniske egenskaber for eksotiske overgangsmetaloxider i nanometerskalaen, samt afsløre de slående kooperative interaktioner, der styrer elektronernes adfærd i disse ultratynde materialer. Deres opdagelse baner vejen for at lave avancerede nye elektroniske enheder fra oxider.