En grafik över ett spontant framväxande gränssnitt i ett kvantmaterial visas. I de övre och nedre skikten bär atomerna (gröna prickar) på det undersökta materialet ett magnetmoment (röd pil) som pekar i motsatta riktningar. I dessa lager är dessa magnetiska moment inte korrelerade med de omgivande elektronerna (svarta prickar). Mittskiktet liknar ett elektroniskt gränssnitt, där atomerna inte bär magnetiska moment eftersom de skärmas av de magnetiska momenten hos de omgivande elektronerna (svarta pilar). Screeningseffekten markeras med ett blått screeningmoln. Spridningen av elektronerna från atomerna är annorlunda i de magnetiska och icke-magnetiska skikten som kan utnyttjas för nya funktioner. Upphovsman:Los Alamos National Laboratory
En potentiell revolution inom enhetsteknik kan vara på gång, tack vare upptäckten av funktionella elektroniska gränssnitt i kvantmaterial som kan självmonteras spontant.
"Detta illustrerar att om vi kan lära oss att kontrollera och utnyttja de anmärkningsvärda egenskaperna vid gränssnitt för kvantmaterial, detta kommer sannolikt att resultera i en ny generation enheter bortom vår nuvarande fantasi, "sa Marc Janoschek, en fysiker vid Los Alamos National Laboratory som, med David Fobes, även från Los Alamos, ledde det internationella forskargruppen som gjorde upptäckten. Deras resultat publicerades idag i Naturfysik . "Dock, eftersom kvantmaterial är kemiskt mycket mer komplexa jämfört med "konventionella" material som halvledare, det är fortfarande en utmaning att tillverka rena kvantmaterialgränssnitt. "
Material med egenskaper som kännetecknas av kvantmekanikens lagar snarare än klassisk mekanik har ofta funktioner som supraledning. Men omfattande forskning har visat att vid gränssnitt mellan två material, kvantmaterialens anmärkningsvärda egenskaper kan förbättras starkt eller helt nya funktionella egenskaper kan uppstå.
Ett exempel på betydelsen av materialgränssnitt skulle vara transistorer, vars funktion är baserad på fysiska effekter som uppstår vid halvledargränssnitt som är artificiellt konstruerade via tekniker som litografi. Transistorer utgör grunden för den nuvarande generationen av elektroniska enheter.
Komplexiteten hos kvantmaterial kännetecknas ofta av konkurrens mellan olika interaktioner på kvantnivå.
"Här visade vi att denna komplexitet samtidigt ger en lösning, sa Fobes, som utförde sin postdoktorala forskning under ledning av Janoschek. Fobes och Janoschek ledde det internationella teamet av forskare som kombinerade omfattande neutronspektroskopimätningar från Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Spallation Neutron Source (SNS), National Institute of Standards and Technology's (NIST) Center for Neutron Research (NCNR), Storbritanniens Neutron and Muon Source (ISIS), och vid München Research Reactor II (FRM II) i Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum i Tyskland med detaljerad teoretisk modellering.
Marc Janoschek, vänster, och David Fobes diskuterar egenskaper hos kvantmaterial. Upphovsman:Los Alamos National Laboratory
"Neutronspektroskopimätningar var avgörande för att visa att i vissa metaller konkurrensen mellan olika interaktioner kan lösas genom spontan bildning av ett tillstånd där de elektroniska och magnetiska egenskaperna växlar periodiskt, "sa Georg Ehlers, ORNL -forskaren som utförde spektroskopimätningar vid SNS.
Detta periodiska arrangemang leder till gränssnitt mellan alternerande materialskikt som liknar gränssnitt i konstruerade heterostrukturer. Dock, de spontant självmonterande gränssnitten som identifierats i denna studie har stora fördelar; de är i sig rena, och relevanta parametrar som gränssnittstjockleken kan ställas in in situ via externa parametrar som magnetfält eller temperatur.
De grundläggande ingredienserna som identifierats av Fobes och teamet är gemensamma för flera klasser av kvantmaterial och tyder på att dessa inneboende och avstämbara gränssnitt kan vara mer frekventa. Lär dig att kontrollera självmonteringen av sådana inneboende kvantgränssnitt, i tur och ordning, har potential att revolutionera enhetsdesign, där enheter inte tillverkas utan spontant bildas via kvantteknik av de underliggande atomskalinteraktionerna. Dessutom, dessa enheter kan ställas in och omkonfigureras med externa parametrar, möjligen möjliggör design av mycket adaptiv elektronik.
