Kigger på atomare strukturer med ikke mere end blyant og papir

Hvem ville gætte på, at det kunne være så simpelt at knække mysteriet om, hvordan uendeligt små atomer arrangerer sig ved kanten af ​​krystaller i avancerede materialer, to, tre?

Modellering af molekylstrukturen af ​​en krystals overflade kræver normalt kraftige computere, men University of Wisconsin-Madison ingeniører har udtænkt en meget enklere metode – en der er lige så let som at tælle med blyant og papir.

Den simple strategi kunne være med til at skabe ultrahurtige computerchips baseret på andre materialer end silicium.

"Vi var overraskede over at opdage, at det var, faktisk, så simpelt, " siger Jason Kawasaki, en UW-Madison professor i materialevidenskab og teknik. "Med nogle ret små justeringer, vi kunne forudsige strukturer, der var kvantitativt meget nøjagtige."

De var så nøjagtige, at hans nye forudsigelsesmetode, udgivet 1. juni, 2018 i bladet Videnskabens fremskridt , tilbyder en hurtig og nem procedure til at nulstille lovende materialer til brug i avanceret elektronik såsom kvantecomputere, der løser problemer meget hurtigere end konventionelle siliciumbaserede maskiner.

"Før man kunne bruge materialer på interessante måder til næste generations enheder, du skal forstå, hvordan strukturen ændrer sig ved overfladen, " siger Kawasaki.

Nøjagtig forudsigelse af krystaloverfladestrukturer er et problem, som længe har forvirret videnskabsmænd. Atomer ved kanten af ​​et materiale har en tendens til at omarrangere sig selv, nogle gange mister deres elektroniske eller magnetiske egenskaber.

Kawasaki og kolleger fokuserede på en type materialer kaldet halv-Heusler-forbindelser, som har flere afstembare elektroniske og magnetiske egenskaber. Desværre, mange halv-heuslere præsterer ikke som forudsagt, når de er parret med andre materialer eller parret ned til en flad overflade.

"Når du har små omlejringer af atomer, du kan have store ændringer af egenskaber, " siger Kawasaki.

Alle materialer er opbygget af atomer, som har kerner i deres centre omgivet af stadigt skiftende skyer af små subatomære partikler kaldet elektroner. Atomer kan forbindes, eller obligation, ved at dele nogle af deres elektroner med hinanden. Krystaller består af mange atomer bundet sammen i et regelmæssigt arrangeret og gentagne mønster. Det mønster bryder, imidlertid, ved krystaloverflader eller grænseflader, efterlader nogle atomer uden partnere og udelte elektroner, der dingler væk fra bulkmaterialet.

Indenfor det stive indre af krystaller, sofistikerede simuleringer kan bestemme atomarrangementer, men computere har brug for indledende bedste gæt på konfigurationer for at skabe strukturelle forudsigelser.

I lang tid, bedste gæt på overfladen var umulige at komme med, fordi tilstedeværelsen af ​​dinglende elektroner får antallet af mulige konformationer til at skyde i vejret.

"De rigtige værktøjer og den rigtige teoretiske ramme eksisterede ikke, " siger Kawasaki.

Den rigtige teoretiske ramme viste sig at være overraskende enkel, styret af grundlæggende kemiregler. Alt hvad der er nødvendigt er at tælle alle de elektroner, hvert atom bringer til overfladen, tæller alle de elektroner, der er forudsagt at være i bindinger, og afgør, om disse tal stemmer overens. Når alle elektroner er medregnet, strukturen er sandsynligvis stabil. Hvis ikke, det er tilbage til tegnebrættet.

Optællingen er så ligetil, at Kawasaki bogstaveligt talt kan bruge blyant og papir til at udføre beregninger.

Tælleregler er kendt for at fungere godt for simple materialer. Imidlertid, videnskabsmænd antog, at elektronskyerne for de metalliske atomer, der udgør halv-Heusler-materialer, var for komplicerede til en sådan grundlæggende opgørelse.

Kawasaki og kolleger beviste, at denne opfattelse var forkert.

"Vi fandt ud af, at mange af de generelle regler, der er blevet udviklet til at forstå binding i simple systemer, kan kortlægges på disse mere komplekse materialer, " siger Kawasaki.

Ved at bruge denne tilgang, Kawasaki og kolleger forudsagde og bekræftede overfladekonfigurationen for et vigtigt halvt Heusler-materiale kaldet kobolt titanium antimon, som er en potentielt nyttig halvleder. Forskerne målte krystaloverfladen med avancerede billedbehandlingsteknikker, bemærker, at deres blyant-og-papir-forudsigelser passede perfekt sammen med rigtige atomare konfigurationer.

Forskerne anvendte derefter deres metode på yderligere to halv-Heusler-forbindelser, en halvmetal og en ferromagnet, og de planlægger at identificere mere lovende materialer.

Kawasaki udførte krystalvækst- og måleeksperimenterne i samarbejde med Chris Palmstrøm, et fakultetsmedlem i elektro- og computerteknik og materialevidenskab ved University of California, Santa Barbara.