Gennem nanoskalaglasset:Bestemmelse af bosonspidsfrekvens i ultratyndt aluminiumoxid

Der er mere i glas end man kan se.

Briller, som er uordnede materialer uden kemisk rækkefølge, har nogle mystiske egenskaber, der har været gådefulde i flere årtier.

Blandt disse er de unormale vibrationstilstande, der bidrager til varmekapaciteten ved lav temperatur. Tidlige forskere konstaterede, at disse stater adlyder Bose-Einstein-statistikker, og navnet sidder fast, så i dag er denne funktion kendt som bosontoppen.

Det er almindeligt accepteret, at disse vibrationstilstande opstår fra henfaldet af bosoniske fononlignende kvasipartikler i det stærkt uordnede glasmiljø.

Nyligt samarbejde mellem FLEET-partnere University of Wollongong, RMIT og ANSTO har afsløret hyppigheden af ​​bosontoppen i tætheden af ​​tilstande af ultratyndt aluminiumoxid med tykkelser på 2 nanometer.

Amorft aluminiumoxid er et vigtigt glas, bruges i elektronikindustrien som et dielektrisk lag, og inden for den nye kvantecomputersektor, hvor den spiller rollen som barrieren i et Josephson-barrierekryds.

Alligevel overraskende, mange af de grundlæggende egenskaber ved aluminiumoxid forbliver ukendte, fordi det er termodynamisk ustabilt på makroskalaen.

UoW/RMIT-teamet overvandt dette problem ved at fokusere på briller i nanoskala, i forbindelse med kerne-skal-partikler af en aluminiumkugle pakket ind i en tynd hud af dens oprindelige aluminiumoxid. Du kan forestille dig det som et hårdkogt æg, med en indvendig fast aluminium "blomme" omgivet af en tynd, ekstern aluminiumoxidskal.

Bevæbnet med disse nye (og let eksplosive) prøver, de indsatte neutronspektroskopi hos ANSTO – en af ​​FLEET-partnerorganisationerne – for at måle gittervibrationerne i kerneskalpartiklerne.

Ved at studere forskellige partikelstørrelser, det relative forhold mellem kerne og skal blev varieret for at give gruppen mulighed for at adskille bidragene fra "blomme"-aluminium og fra aluminiumoxid-"skal".

Ved at bruge de små partikler til at øge overfladekontrasten, gruppen afslørede en THz-frekvensfunktion for bosontoppen, som er i god overensstemmelse med teoretiske beregninger.

"Jeg var spændt på at se matchen mellem den molekylære dynamik udført af Cole-gruppen og vores neutroneksperiment, " siger hovedforfatter David Cortie. "Vores evne til at forudsige vibrationelle og elektroniske egenskaber af ultratynde materialer og heterogrænseflader bliver bedre år for år."

Da gittervibrationer er en førende kilde til spredning i elektronik, de nye målinger er nyttige til at identificere metoder til at kontrollere varmeoverførsel gennem ultratynd aluminiumoxid. Dette har også nogle andre overraskende implikationer uden for elektronik, fordi den næste generation af rumfartøjer til ekspeditioner uden for Mars kan bruge aluminium/aluminiumoxidbrændstoffer, hvis varmeoverførselsproblemet kan reduceres.

I en særskilt udvikling, gruppen fandt også tydelige beviser for, at brint i form af H2O og hydroxylgrupper susede rundt på overfladen af ​​aluminiumoxid, og rapporterede en procedure til at fjerne disse native overfladedefekter under anvendelse af en varmebehandlingsprocedure.

"Vi satte os ikke for at studere brint, " siger den ledende medforfatter Jared Cole, "Imidlertid, det faktum, at vi observerede det så tydeligt, kan være ret serendipitalt. Brint er en vigtig overfladeurenhed i kvantesuperledende kredsløb, og eksperimenter som dette er en nyttig måde at lære, hvordan den opfører sig, og hvordan man afbøder dens virkninger."

Normalt er brint næsten usynlig for standardteknikker, men neutroner spredes ti gange stærkere fra brint end andre grundstoffer, fordi de interagerer med via kernekræfter snarere end elektromagnetiske interaktioner. Ved ultralave temperaturer, kvantetunnelering af brint i to-niveausystemer er en kandidat til at forklare kilden til dekohærens i førende kvanteberegningssystemer.

Studiet, "Boson-top i ultratynde aluminiumoxidlag undersøgt med neutronspektroskopi, " blev offentliggjort i Physical Review Research .