Forskare vid University of Bayreuth har upptäckt ett ovanligt material:När det kyls ner till två grader Celsius, dess kristallstruktur och elektroniska egenskaper förändras abrupt och avsevärt. I detta nya tillstånd, avstånden mellan järnatomer kan skräddarsys med hjälp av ljusstrålar. Detta öppnar spännande möjligheter för tillämpning inom informationsteknik. Forskarna har presenterat sin upptäckt i tidskriften Angewandte Chemie—International Edition . De nya rönen är resultatet av nära samarbete med partneranläggningar i Augsburg, Dresden, Hamburg, och Moskva.

Materialet är en ovanlig form av järnoxid med formeln Fe₅O6. Forskarna producerade den med ett tryck på 15 gigapascal i ett högtryckslaboratorium vid Bayreuths forskningsinstitut för experimentell geokemi och geofysik (BGI) baserat vid University of Bayreuth. Om temperaturen sjunker till två grader Celsius, som kan hittas i ett hushållskylskåp som är ganska kallt, en plötslig strukturförändring inträffar:Järnjoner, som är sammanträdda i långa kedjor vid högre temperaturer, ordna om sig i par istället. Två järnjoner bildar en bindning mellan varandra, som endast består av en delad elektron.

Att applicera ljusstrålar selektivt från en extern källa kan ingripa i bildandet av denna nya kristallstruktur. Om de har en lämplig våglängd, de kan bryta bindningen mellan två speciella järnjoner:jonparet delas upp. Som ett resultat, de enskilda järnjonerna börjar röra sig något, vilket betyder deras avstånd från varandra och deras fysiska tillstånd förändras. "Detta riktade inflytande av atomavstånd vid kylskåpstemperaturer, som är lätta att uppnå industriellt, har stor potential för tillämpning inom IT -sektorn. Det kan användas, till exempel, i kvantdatorer, för lagringselement som endast mäter några få nanometer, eller för lika små strömbrytare, " förklarar Dr. Sergey Ovsyannikov från BGI, publikationens första författare.

Syntesen och undersökningen av järnoxid Fe5O6 är av fundamental betydelse för att klargöra sambanden mellan järnoxidernas kristallstruktur och deras fysikaliska egenskaper. Detta är ytterligare ett resultat av den nu publicerade studien. Intressant, avståndet mellan järnjonerna, som är sammanträdda i kedjor vid normala omgivningstemperaturer, tycks bestämma vid exakt vilken lägre temperatur den ovannämnda plötsliga strukturförändringen inträffar, och de resulterande nya egenskaperna uppstår. "Dessa resultat ger en värdefull grund för att utveckla nytt material för informationsteknologi, " säger Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky från BGI, som samordnat forskningsarbetet.

Den betydande strukturförändring som forskare nu har upptäckt i järnoxid Fe₅O₆ är inom fysiken känd som "Verwey laddningsordningsövergång". Tills nu, en sådan temperaturberoende övergång, som åtföljs av en förändring av elektroniska och andra egenskaper, hade endast studerats väl i järnoxid Fe₃O4. I detta material, dock, förändringarna sker först när temperaturen sjunker till minus 153 grader Celsius. Vid denna övergångstemperatur, alla applikationer för informationsteknik skulle vara svåra att implementera.