Forskere besvarer nøglespørgsmål om elektrontilstande

Forskere arbejder hårdt på at konstruere egenskaberne af nanostrukturer, såsom atomer og molekyler, at realisere effektive logiske enheder, der kan fungere på den grundlæggende skala af stof – atomernes skala. For at gøre "ingeniørarbejde" muligt i den skala, forskere skal være i stand til at se på et atoms indre struktur, den såkaldte orbitale struktur, hvor elektroner er indespærret i en række skaller.

I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i ACS Nano , forskningen ledet af QNS opnåede et hidtil uset resultat:at identificere, hvordan elektroner er fordelt mellem orbitaler af atomer og nanostrukturer. Brug af førsteklasses røntgengeneratorer, kaldet synkrotroner, beliggende i Spanien, Schweiz, og Korea, holdet identificerede en metode til at skelne egenskaberne af deres elektroner afhængigt af deres orbital.

"Vi var ikke sikre på, at vi faktisk kunne have nok følsomhed til at sondere alle disse atomare orbitaler individuelt i så små strukturer" siger prof. Fabio Donati, den primære efterforsker fra QNS. "Dette resultat viste sig at være en ny måde at afsløre disse atomers adfærd og muligvis vejlede konstruktionen af ​​deres egenskaber for at realisere fremtidige atomare enheder".

Til denne undersøgelse, forskerne fokuserede på lanthanid-elementer - den ekstra række i bunden af ​​det periodiske system. Disse elementer undersøges i øjeblikket som potentielle magneter i atomskala for at realisere klassiske eller kvantebits til fremtidige logik- og hukommelseslagringsenheder. At være i stand til at bruge dem til dette formål kunne gøre det muligt for teknologi at fungere i den mindste tilgængelige skala, tilbyder et enormt potentiale i form af miniaturisering.

Et unikt kendetegn ved disse grundstoffer er, at deres vigtigste elektroner, nemlig dem, der sørger for den store del af atomets magnetisering, er lokaliseret i specifikke orbitaler (kaldet 4f), der er gemt dybt inde i atomerne. Derfor, det er svært at bruge en elektrisk strøm til at fornemme dem, hvilket kan skabe udfordringer for deres integration i elektroniske enheder.

Forskere forsøger at fastslå, om elektroner fra mere eksterne, og elektrisk tilgængelig, orbitaler kan bruges som en udlæsningskanal i stedet for de mere skjulte elektroner. "Vi havde brug for at finde en teknik, der kunne måle elektronerne i disse atomer, bogstaveligt talt orbital for orbital, at finde ud af, hvordan de samarbejder og bidrager til atomets magnetiske egenskaber", siger Dr. Aparajita Singha, som startede forskningen som post doc på QNS og nu leder en gruppe på Max Planck Institute for Solid State Research.

Eksperimentet blev udført ved hjælp af meget lave temperaturer (-270 C) for at holde lanthanid-atomerne "frosne" på deres understøttende substrat, som er en film af magnesiumoxid. Det var nødvendigt at bruge meget høje magnetiske felter - 100, 000 gange stærkere end jordens magnetfelt - for at magnetisere lanthanid-atomerne og måle egenskaberne af deres elektroner. Forskerne brugte røntgenstrålen til at ramme elektroner meget tæt på kernen og ophidse dem til målorbitaler, som de ønskede at fornemme. "Selvom denne tilgang var kendt for at virke for krystaller sammensat af en stor samling af atomer, om individuelle orbitaler kunne måles i isolerede atomer var et stort åbent spørgsmål," sagde Donati. "Du kan forestille dig, hvor spændende det var at se de første data dukke op på skærmen under målingerne. Først da indså vi, at der ikke var nogen teori klar til at forklare vores resultater. Der var stadig meget arbejde at gøre."

Sammenlignet med dataindsamlingsfasen, som kun krævede et par ugers målinger, analysen og udviklingen af ​​en fortolkningsmodel holdt forskerne beskæftiget i flere måneder. Ved at bruge denne kombination af eksperimentslutteori, forskerne kunne identificere, hvordan elektronerne var fordelt mellem atomorbitalerne. "Vi tror, ​​at at kende strukturen af ​​disse atomer, orbital for orbital, vil give nye anvisninger til at konstruere egenskaberne for fremtidige enheder, såsom kvantecomputere og ultratætte magnetiske harddiske", konkluderede Donati.