Några av de mest lovande och förbryllande fenomenen inom fysiken utspelar sig på nanoskala, där ett skift på en miljarddels meter kan skapa eller bryta perfekt elektrisk ledningsförmåga.

Nu, forskare har utvecklat en ny metod för att undersöka tredimensionella, atomskala invecklingar och kemiska kompositioner med en aldrig tidigare skådad precision. Genombrottstekniken – beskrivs den 6 februari i tidskriften Nanobokstäver -kombinerar atomkraftsmikroskopi med nära-fält-spektroskopi för att avslöja den överraskande skadan som orsakas av även de mest subtila krafterna.

"Det här är som att ge blinda syn, ", sade huvudförfattaren Adrian Gozar från Yale University. "Vi kan äntligen se de avgörande variationerna som dikterar funktionalitet i denna skala och bättre utforska både banbrytande elektronik och grundläggande frågor som har funnits i årtionden."

Forskare från Yale University, Harvard Universitet, och det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory utvecklade tekniken för att avgöra varför en viss anordningstillverkningsteknik – heliumjonstrålelitografi – misslyckades med att skapa den skalbara, högpresterande supraledande nanotrådar som förutspås av både teori och simulering.

I tidigare arbete, tunga jonstrålar användes för att skära 10 nm breda kanaler - cirka 10, 000 gånger tunnare än ett människohår – genom skräddarsydda material. Dock, den nya studien avslöjade strålinducerad skada som krusade ut över 50 gånger det avståndet. I denna skala, den skillnaden var både omärklig och funktionellt katastrofal.

"Detta tar direkt upp utmaningen med kvantberäkning, till exempel, där företag inklusive IBM och Google utforskar supraledande nanotrådar men behöver pålitlig syntes och karaktärisering, " sa studiens medförfattare och Brookhaven Lab-fysikern Ivan Bozovic.

Skriva med joner

En lovande design för högtemperatursupraledande enheter är alternerande supraledare-isolator-supraledare (SIS)-gränssnitt – eller så kallade Josephson-övergångar. Dessa är teoretiskt lätta att tillverka genom direktstråleskrivning, förutsatt att tillräcklig precision kan uppnås.

Helium-jonstrålelitografi (HIB) var en perfekt kandidat, nyligen beprövad i liknande material och väl lämpad för snabb och skalbar produktion av supraledande nanotrådar och Josephson-övergångar.

"HIB låter oss fokusera partikelstrålen till mindre än en enda nanometer och effektivt 'skriva' mönster för att skapa supraledande gränssnitt, sade Nicholas Litombe, som ledde HIB -arbetet under ledning av professor Jenny Hoffman från Harvard, en medförfattare till denna studie. "Vi bestämde oss för att flytta den tekniken till en annan klass av material:LSCO tunna filmer."

Samarbetet började med en noggrann montering av perfekta LSCO -tunna filmer - så kallad för deras användning av lantan, strontium, koppar, och syre. Bozovics grupp i Brookhaven använde en teknik som kallas atomär lager-för-lager molekylär strålepitaxi, som kan skapa atomiskt perfekta supraledande filmer och heterostrukturer.

"Jag har ett långvarigt intresse och specialisering på att använda interfasfysik för att inducera och förstå supraledning vid hög temperatur, "Sa Bozovic." HIB ger oss ett helt nytt sätt att utforska dessa material på nanoskala. "

Litombe ristade de ultraexakta gränssnittskanalerna i Bozovics tunna filmer. Men de omedelbara resultaten var nedslående:den förväntade supraledningsförmågan undertrycktes helt när ström gick genom ledningar som var smalare än ett par hundra nanometer.

"Våra datormodeller och experimentella resultat såg alla utmärkta ut, men vi visste att det fanns dolda krafter i arbete, " sa Litombe. "Vi behövde djupare insikt i den materiella strukturen."

Kryogen blixtledare

Materialsammansättning och elektroniska egenskaper kan fastställas genom hur de absorberar och avger ljus - ett långvarigt fält som kallas spektroskopi. I fallet med supraledning, detta kan skilja mellan den "blanka" ytan på en ledande metall kontra mattheten hos en strömbrytande isolator.

Forskarna vände sig till scanning near-field optical microscopy (SNOM) för att undersöka den spektroskopiska glansen på HIB-banorna. Men denna teknik, som leder ljus genom en kapillär av förgyllt glas, har en upplösningsgräns på cirka 100 nanometer – alldeles för stor för att undersöka supraledande gränssnitt i nanoskala.

Lyckligtvis, Gozar byggde ett specialiserat instrument för att radikalt öka den spektroskopiska upplösningen. Maskinen, byggt helt på Brookhaven Lab och nu inrymt i Yale, kombinerar SNOM med atomkraftsmikroskopi (AFM). Som en skivspelares nål som extraherar ljud från vinylens struktur, en AFM -nål färdas över ett material och läser atomtopografin.

"Här, AFM-nålen fungerar som en blixtstång, kanalisera SNOM-ljuset till bara tiotals nanometer, "Gozar sa." Vi har samtidig AFM -topografi och spektroskopiska data om de djupa kemiska strukturerna. "

Avgörande, Gozars AFM-SNOM-system fungerar också vid de kryogena temperaturer som krävs för att testa dessa material - en kapacitet som bara erbjuds på ett fåtal laboratorier i världen.

Utbredd ruin

Den nya tekniken avslöjade de oväntade och utbredda skador som lämnats i spåren av heliumjonerna. Trots strålens fokus på 0,5 nanometer, dess effekter skramlade atomer över en 500-nanometer spridning och förändrade strukturen tillräckligt för att förhindra supraledning. För konstruktion av nanomaterial, denna så kallade laterala streckning är fullständigt ohållbar.

"Till och med den minsta knuff i denna skala krossar de kraftfulla fenomen vi menar att utnyttja, "Sa Litombe." Högtemperatur supraledning kan ha ett koherensavstånd på bara några atomer, så denna sidoeffekt är förödande. Vi är, självklart, fortfarande glada över att utforska de aldrig tidigare setta detaljerna. "

Lade till Bozovic, "På ett sätt, hela resultatet var negativt. Vårt ursprungliga mål att skapa nanometertjocka supraledande ledningar uppnåddes inte helt. Men att ta reda på varför har öppnat några riktigt spännande dörrar."

SNOM-AFM-tekniken är lättillämplig på områden som plasmonik för displayteknik och studier av mekanismen bakom högtemperatur supraledning.

"Oplösningen i nanoskala och instrumentets tomografiska kapacitet, sätta oss på spetsen för att avslöja nya sanningar om nanoskala fenomen och den teknik det ger, " sa Gozar.