Tuning af kvantematerialer med brintgas

Forskere ved TU Delft har opdaget en metode til at strække og komprimere kvantematerialer ved hjælp af brintgas. De demonstrerede denne effekt ved hjælp af en lille streng af et materiale kaldet wolframtrioxid, som fungerer som en svamp for brint. Forskningen er et lovende nyt skridt i udviklingen af ​​mikromekaniske resonatorer, som har en bred vifte af anvendelsesmuligheder. De kan bruges i inkjetprintere, som sensorer for miljøforhold, og som aktive komponenter i fremtidens nanoelektronik.

Kvantematerialer er blandt de mest lovende byggesten til fremtidens smarte enheder. Det, der gør disse materialer specielle, er, at de kan styres on-demand af flere eksterne parametre, for eksempel ved opvarmning eller afkøling, ved at bruge en elektrisk strøm, eller ved at påføre mekanisk tryk. De magnetiske og elektroniske egenskaber af disse materialer kan ofte styres dynamisk, fører til udviklingen af ​​afgørende komponenter såsom hukommelser og energi-høstende anordninger.

Et nyt kontrolværktøj

En begrænsning ved kvantematerialer er, at deres mekaniske egenskaber normalt kun kan kontrolleres gennem statiske metoder. Det betyder, at når først enheden er designet og produceret, dens mekaniske egenskaber kan ikke ændres. Forskerne Nicola Manca og Giordano Mattoni overvandt dette problem ved at bruge et nyt værktøj:brintgas.

Forskerne brugte wolframtrioxid, et krystallinsk materiale, der let kan rumme brint i sit krystalgitter. "Wolframtrioxid absorberer hurtigt brintgas, " siger materialeekspert Giordano Mattoni. "Dette giver en stor udvidelse af krystalstrukturen, svarende til, hvad der sker, når du putter en tør svamp i vand." Processen er fuldt reversibel og, igen som en svamp, materialet udstøder brint, når det udsættes for ren luft. Dette gør det muligt at kontrollere dens mekaniske egenskaber.

Mikromekanisk resonator

Ved at bruge materialesyntese af høj kvalitet og de avancerede nanofabrikationsfaciliteter på TU Delft, forskerne fremstillede en tynd suspenderet struktur af wolframtrioxid:en såkaldt mikromekanisk resonator. Strukturen viste store mekaniske ændringer efter absorption af brintgas. "Det føltes som om vi stemte en guitarstreng, " siger Nicola Manca, en ekspert i mikromekaniske resonatorer. "Brandgas var i stand til at modulere materialets resonansfrekvens med mere end 500 procent." Stammemodulationen var så stor, at de inducerede ændringer kunne observeres med et almindeligt mikroskop. Jo mere brint der gik ind i materialet, jo mere den udvidede sig og bøjede sig.

Stuetemperatur

En af de vigtigste fordele ved denne teknik er, at den kan bruges ved stuetemperatur, i et kontrolleret miljø. Den er også fuldt vendbar. Som reference, opnå en lignende belastningsmodulation med konventionelle metoder og materialer, såsom termisk ekspansion i silicium, ville kræve en temperaturstigning på mere end 1500 grader.

TU Delft har en verserende patentansøgning om interaktionen mellem H ₂ med WO ₃ og planlægger yderligere forskning i denne lovende retning.