Lennon och McCartney. Abbott och Costello. Jordnötssmör och sylt.

Tänk på ena halvan av någon känd duo, och den andra hälften kommer förmodligen att tänka på. De kompletterar inte bara varandra, men tillsammans fungerar de bättre.

Detsamma gäller i det växande området för oxidelektronikmaterial. Med ett brett utbud av beteenden, inklusive elektroniska, magnetiska och supraledande, dessa multifunktionella material är redo att utöka vårt sätt att tänka på funktionerna hos traditionella kiselbaserade elektroniska enheter som mobiltelefoner eller datorer.

Ändå tills nu, en kritisk aspekt har saknats – en som kompletterar elektronernas funktion i oxidelektronik. Och ett team ledd av materialforskaren Chang-Beom Eom vid University of Wisconsin-Madison har direkt observerat att den saknade andra hälften av duon är nödvändig för att flytta oxidelektronikmaterial framåt.

Det kallas en tvådimensionell hålgas - en motsvarighet till något som kallas en tvådimensionell elektrongas. I mer än ett decennium, forskare har upptäckt att ett hålgasutseende var möjligt, men har inte kunnat skapa det experimentellt.

Skriver idag (5 februari, 2018) i tidskriften Naturmaterial , Eom och hans medarbetare gav bevis på att en hålgas samexisterar med elektrongasen. De designade ett ultratunt material, känd som en tunn filmstruktur, specifikt för denna forskning.

"2D-hålsgasen var inte möjlig främst eftersom det inte gick att odla tillräckligt med kristaller, säger Eom, Theodore H. Geballe professor och Harvey D. Spangler framstående professor i materialvetenskap och ingenjörskonst. "Inuti, det fanns defekter som dödade hålgasen."

Eom är en världsexpert på materiell tillväxt, använda tekniker som gör att han noggrant kan bygga, eller "växa, " varje lager av ett material med atomär precision. Den expertis, kombinerat med insikt i samspelet mellan lager i deras struktur, var nyckeln till att identifiera den svårfångade 2D-hålsgasen.

"Vi kunde designa rätt struktur och göra nästan perfekta kristaller, allt utan defekter som försämrar hålgasen, " han säger.

Också viktigt för att identifiera hålgasen var det nästan symmetriska sättet på vilket Eom satte ihop de olika lagren - något som liknar en club sandwich. Medan andra forskare har gjort materialet i en tvåskiktsstruktur, Eom designade ett trippellager. Han växlade lager av strontiumoxid och titandioxid på botten, sedan lager av lantanoxid och aluminiumoxid, tillsatte sedan ytterligare lager av strontiumoxid och titandioxid på toppen.

Som ett resultat, hålgasen bildas vid gränsytan mellan lagren på toppen, medan elektrongasen bildas vid gränsytan mellan lagren på botten - den första demonstrationen av ett mycket kraftfullt komplementärt par.

Precis som människor för 50 år sedan sannolikt inte kunde ha föreställt sig att kommunicera via trådlösa enheter, förskottet skapar en plattform som kan möjliggöra nya koncept-applikationer som idag förblir bortom våra vildaste drömmar.

"Vi förbättrar inte bara prestanda för enheter, " säger Eom. "Så, inte förbättra en mobiltelefon, till exempel – men föreställer sig en helt ny enhet som möjliggjorts av detta framsteg. Det här är början på en ny spännande väg."