Ny teknik afslører 3D-strukturen og sammensætningen af ​​kraftfulde, specialfremstillede højtemperatur superledere

Nogle af de mest lovende og forvirrende fænomener i fysik udspiller sig på nanoskalaen, hvor et milliardtedel-meter-skift kan lave eller bryde perfekt elektrisk ledningsevne.

Nu, forskere har udviklet en ny metode til at sondere tredimensionelle, atomare forviklinger og kemiske sammensætninger med hidtil uset præcision. Gennembrudsteknikken - beskrevet 6. februar i journalen Nano bogstaver — kombinerer atomkraftmikroskopi med nærfeltsspektroskopi for at afsløre den overraskende skade, som selv de mest subtile kræfter har forårsaget.

"Dette er som at give blinde syn, " sagde hovedforfatter Adrian Gozar fra Yale University. "Vi kan endelig se de altafgørende variationer, der dikterer funktionalitet i denne skala og bedre udforske både banebrydende elektronik og grundlæggende spørgsmål, der har bestået i årtier."

Forskere fra Yale University, Harvard Universitet, og det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory udviklede teknikken til at bestemme, hvorfor en bestemt enhedsfremstillingsteknik - helium-ionstrålelitografi - ikke kunne skabe den skalerbare, højtydende superledende nanotråde forudsagt af både teori og simulering.

I tidligere arbejde, tunge ionstråler blev brugt til at skære 10 nm brede kanaler - omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår – gennem specialfremstillede materialer. Imidlertid, den nye undersøgelse afslørede stråleinducerede skader, der bølgede ud over 50 gange så langt. I denne skala, den forskel var både umærkelig og funktionelt katastrofal.

"Dette adresserer direkte udfordringen med kvanteberegning, for eksempel, hvor virksomheder, inklusive IBM og Google, udforsker superledende nanotråde, men har brug for pålidelig syntese og karakterisering, " sagde studiemedforfatter og Brookhaven Lab-fysiker Ivan Bozovic.

Skrivning med ioner

Et lovende design for højtemperatur-superledende enheder er alternerende superleder-isolator-superleder-grænseflader (SIS) - eller såkaldte Josephson-forbindelser. Disse er teoretisk nemme at fremstille ved direkte stråleskrivning, forudsat at tilstrækkelig præcision kan opnås.

Helium-ion beam litografi (HIB) var en perfekt kandidat, bevist for nylig i lignende materialer og velegnet til hurtig og skalerbar produktion af superledende nanotråde og Josephson-forbindelser.

"HIB lader os fokusere partikelstrålen til mindre end en enkelt nanometer og effektivt 'skrive' mønstre for at skabe superledende grænseflader, " sagde Nicholas Litombe, som ledede HIB-arbejdet under vejledning af professor Jenny Hoffman fra Harvard, medforfatter til denne undersøgelse. "Vi satte os for at flytte den teknik til en anden klasse af materialer:LSCO tynde film."

Samarbejdet startede med den omhyggelige samling af perfekte LSCO tynde film - så opkaldt efter deres brug af lanthan, strontium, kobber, og oxygen. Bozovics gruppe i Brookhaven brugte en teknik kaldet atomare lag-for-lag molekylær stråleepitaxi, som kan skabe atomisk perfekte superledende film og heterostrukturer.

"Jeg har en langvarig interesse og specialisering i at bruge interfasefysik til at inducere og forstå højtemperatursuperledning, " sagde Bozovic. "HIB giver os en helt ny måde at udforske disse materialer på på nanoskalaen."

Litombe udhuggede de ultrapræcise grænsefladekanaler i Bozovics tynde film. Men de umiddelbare resultater var nedslående:den forventede superledning blev fuldstændig undertrykt, da strømmen løb gennem ledninger, der var smallere end et par hundrede nanometer.

"Vores computermodeller og eksperimentelle resultater så alle fremragende ud, men vi vidste, at der var skjulte kræfter på vej, " sagde Litombe. "Vi havde brug for dybere indsigt i den materielle struktur."

Kryogen lynafleder

Materialesammensætning og elektroniske egenskaber kan identificeres gennem den måde, de absorberer og udsender lys - et mangeårigt felt kaldet spektroskopi. I tilfælde af superledning, dette kan skelne mellem den "blanke" overflade af et ledende metal versus sløvheden af ​​en strømbrydende isolator.

Forskerne vendte sig til scanning nærfelts optisk mikroskopi (SNOM) for at undersøge det spektroskopiske skær på HIB-banerne. Men denne teknik, som leder lys gennem en forgyldt glaskapillar, har en opløsningsgrænse på omkring 100 nanometer - meget for stor til at undersøge de superledende grænseflader i nanoskala.

Heldigvis, Gozar byggede et specialiseret instrument til radikalt at øge den spektroskopiske opløsning. Maskinen, bygget udelukkende på Brookhaven Lab og nu til huse i Yale, kombinerer SNOM med atomic force microscopy (AFM). Som en pladespillers nål, der udvinder lyd fra vinylens tekstur, en AFM-nål bevæger sig hen over et materiale og aflæser den atomare topografi.

"Her, AFM-nålen fungerer som en lynafleder, kanaliserer SNOM-lyset ned til kun 10 nanometer, " sagde Gozar. "Vi har samtidig AFM-topografi og spektroskopiske data om de dybe kemiske strukturer."

Afgørende, Gozars AFM-SNOM-system fungerer også ved de kryogene temperaturer, der kræves for at teste disse materialer - en funktion, der kun tilbydes på nogle få laboratorier i verden.

Udbredt ruin

Den nye teknik afslørede den uventede og udbredte skade, der blev efterladt i kølvandet på heliumionerne. På trods af strålens fokus på 0,5 nanometer, dens virkninger raslede atomer over en 500 nanometer spredning og ændrede strukturen nok til at forhindre superledning. Til konstruktion af nanomaterialer, denne såkaldte laterale straggle er fuldstændig uholdbar.

"Selv det mindste skub i denne skala knuser de magtfulde fænomener, vi mener at udnytte, " Sagde Litombe. "Superledning ved høj temperatur kan have en sammenhængsafstand på blot nogle få atomer, så denne sideeffekt er ødelæggende. Vi er, selvfølgelig, stadig begejstret for at udforske de aldrig før sete detaljer."

Tilføjet Bozovic, "På en måde hele resultatet var negativt. Vores oprindelige mål om at skabe nanometertykke superledende ledninger blev ikke fuldt ud opfyldt. Men at finde ud af hvorfor har åbnet nogle virkelig spændende døre."

SNOM-AFM-teknikken er let anvendelig til områder som plasmonics til displayteknologi og studiet af mekanismen bag højtemperatursuperledning.

"Opløsningen i nanoskala og instrumentets tomografiske muligheder, sætte os på nippet til at afsløre nye sandheder om fænomener i nanoskala og den teknologi, det styrker, " sagde Gozar.