Picoscience og en overflod af nye materialer

De næste par årtiers revolutionære teknologiske opdagelser, dem, der vil ændre hverdagen, kan komme fra nye materialer, der er så små, at de får nanomaterialer til at ligne klumpede giganter.

Disse nye materialer vil blive designet og forfinet i picometer-skalaen, som er tusind gange mindre end et nanometer og en million gange mindre end et mikrometer (som i sig selv er mindre end bredden af ​​et menneskehår). For at udføre dette arbejde, videnskabsmænd vil have brug for træning i en række nyt udstyr, der kan måle og vejlede sådanne udsøgt kontrollerede materialer. Arbejdet går ud på at designe materialerne teoretisk, fremstiller dem, og karakterisere deres egenskaber.

På Yale University, de har et navn til det; de kalder det "picoscience".

"Forskere på Yale opfinder nye materialer, der er små, hurtig, og kan optræde på mange måder, såsom at efterligne neuroner i hjernen, computing med magneter, og beregning med kvantemekanik, " sagde Frederick Walker, en seniorforsker i Charles Ahns laboratorium, John C. Malone professor i anvendt fysik, Maskinteknik og materialevidenskab, og fysik, og formand for Institut for Anvendt Fysik.

Ahn er seniorforfatter af en ny undersøgelse, der bevæger picoscience i endnu en retning:at tage elementer fra det periodiske system og pille ved dem på det subatomære niveau for at drille nye materialer ud.

Sangjae Lee, en kandidatstuderende i Ahns laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen, designet og dyrkede det nye materiale, som er en kunstig, lagdelt krystal sammensat af grundstofferne lanthan, titanium, kobolt, og oxygen.

Forskerne lagde grundstofferne et atomplan ad gangen, således at et-atom-tykke plader af titaniumoxid overfører en elektron til et-atom-tykke plader af cobaltoxid. Dette ændrede den elektroniske konfiguration og magnetiske egenskaber af cobaltoxidpladen.

"Vi var i stand til at manipulere de indgående atomer med en præcision, der var meget mindre end selve atomet, " sagde Lee. "Disse typer af nye krystaller kan danne grundlag for udvikling af nye magnetiske materialer, hvor en delikat balance mellem magnetisme og elektronisk ledning ved så små længdeskalaer kan manipuleres i nye, transistorlignende enheder, der har ydeevnefordele i forhold til nutidens transistorer."

Lee trænede på en række instrumenter, der udvikles på National Synchrotron Light Source II ved Brookhaven National Laboratory i New York. En synkrotron er en maskine omtrent på størrelse med en fodboldbane, der fremskynder elektroner næsten til lysets hastighed. Elektronerne genererer ekstremt lyse røntgenstråler, som bruges af forskere i eksperimenter.

Den nye undersøgelse vises i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve og har medforfattere fra Yale, Brookhaven, Flatiron Institute, og Argonne National Laboratory. Yale medforfatterne, ud over Ahn og Lee, er Sohrab Ismail-Beigi, Alex Taekyung Lee, Walker, Ankit Disa, og Yichen Jia.

Ud over at designe og dyrke de nye materialer, Sangjae Lee karakteriserede dem og analyserede resultaterne. Fra den teoretiske side, Yale-kollegerne Alex Taekyung Lee og Alexandru Georgescu, der nu er på Center for Computational Quantum Physics på Flatiron Institute, brugte kvantemekaniske beregninger til at beregne materialernes struktur og dets virkning på deres elektroniske konfiguration. Dette arbejde gjorde det muligt for teamet at beskrive materialernes magnetiske tilstand.

Yale har identificeret udviklingen af ​​kvantematerialer som et prioriteret forskningsområde, forudse deres brug i nye beregningssystemer, der langt vil overgå nutidens computere. Universitetet har også bemærket betydningen af ​​samarbejder med Brookhaven, som har nogle af de mest avancerede materialekarakteriseringsfaciliteter i USA, inklusive landets nyeste synkrotron.

"Opfindelsen af ​​nye materialer har været kernen i teknologiske fremskridt, der har ændret vores liv, " sagde medforfatter Ismail-Beigi, en professor i anvendt fysik ved Yale. "Nye elektroniske materialer har drevet mobiltelefonernes stadigt stigende kapacitet, computere, tabletter, smarte ure, og medicinsk udstyr. "

Medforfatter Walker understregede vigtigheden af ​​kommunikation mellem eksperimentalister og teoretikere i udførelse af picoscience-forskning:"En synergistisk feedback-løkke mellem teoretisk design og eksperimentel fremstilling er afgørende for succesfuldt at opdage nye materialers egenskaber, " sagde han. "Denne feedback-loop er blevet en signatur af National Science Foundations materialeopdagelsesprogram og blev oprindeligt udviklet på Yale."