En konstnärs intryck av det ledande lagret som uppträder i gränsytan mellan en kristall av SrTiO3 och ett lager av LaAlO3. Sr-atomerna är i rött, de av Ti i blått, de av O i grönt, de av La i gult och de av Al i violett. © M. Lopes, Universitetet i Genève.
Hur kan ett elektriskt ledande gränssnitt uppträda i korsningen mellan två material som inte leder elektricitet? Sedan ett sådant fenomen upptäcktes 2004, motstridiga hypoteser har lagts fram för att svara på denna fråga, var och en med sina ivriga anhängare och kritiker. Ett internationellt team som samlar forskare från Paul Scherrer Institute (PSI), universitetet i Genève (UNIGE) och universitetet i Lièges avdelning för materialteoretiska fysik har klargjort debatten.
Dessa forskare har visat att konduktiviteten är ett resultat av en effekt som är inneboende i korsningen mellan de två materialen, motbevisa den alternativa hypotesen om ett yttre ursprung kopplat till förekomsten av brister som infördes under korsningen som utvecklas. Gränssnittet mellan dessa två föreningar har fascinerande elektriska och magnetiska egenskaper som ger en glimt av ett visst antal tillämpningar inom områdena elektronik och datavetenskap. Resultaten har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .
År 2004 upptäckte forskare ett ledande skikt i gränsytan mellan två isolerande oxider, SrTiO 3 och LaAlO 3 . Efter flera år av intensiv forskning, ursprunget till konduktiviteten är fortfarande kontroversiellt.
En tankeskola kopplar denna ledning till egenskaper som är inneboende i korsningen. I förenklade termer, den olika kemiska naturen hos atomerna som utgör SrTiO 3 och LaAlO 3 tros vara ansvarig för en obalans i den elektriska laddningen på en eller annan del av gränssnittet. För att kompensera för denna obalans förutspår teorin det för en kritisk tjocklek av LaAlO 3 , det elektroniska systemet kommer att ordna om sig självt genom att överföra elektroner till gränssnittet, vilket gör den ledande.
En atomvy av gränssnittet mellan en kristall av SrTiO3 och ett lager av LaAlO3. Sr-atomerna är i rött, de av Ti i blått, de av O i grönt, de av La i gult och de av Al i lila. © M. Lopes, Universitetet i Genève.
Denna förklaring, som går under namnet "polarkatastrofmodellen", ställer sitt ansikte mot tanken att ofullkomligheter, inneboende för tillväxten av lagret av LaAlO 3 , ligger till grund för en kemisk dopning av området för gränsytan och genererar det ledande lagret.
Lämpligt experiment
För att klargöra denna kontrovers, teamet av forskare kom med ett experiment som gjorde det möjligt att testa en grundläggande förutsägelse av "polär katastrof" för att validera denna förklaring.
Experimentet bestod i att byta ut ett av materialen, LaAlO 3 , genom dess legering med den andra föreningen, sålunda modifierar laddningsobalansen vid gränssnittet. Vid universitetet i Liège, Denis Fontaine och Philippe Ghosez förutspådde teoretiskt effekten av denna förändring på den kritiska tjockleken. PSI- och UNIGE-grupperna tog fram prover och mätte dem. Dessa experiment visade att förhållandet mellan den kritiska tjockleken och legeringens sammansättning perfekt matchade den teoretiska förutsägelsen, visar fenomenets inneboende ursprung.
Många applikationer i sikte
Detta ledande gränssnitt kan spela en viktig roll i framtida applikationer som transistorer eller sensorer. Det faktum att ursprunget till konduktiviteten är inneboende i systemet är ett plus för utvecklingen av oxidbaserad elektronik.
