Att förbereda den perfekta smörgåsen i nanoskala av syrebaserade ingredienser var ingen picknick.

Men med hjälp av två Nebraska-fysiker, ett internationellt team av forskare har äntligen lyckats med det – vilket avslutar en nästan 15 år lång strävan efter att observera ett fenomen som kan hjälpa till att driva och miniatyrisera en framtida generation av elektronik.

År 2004 forskare observerade en gas av elektroner som strömmade tvådimensionellt genom en nanosmörgås gjord av oxider:kemiska föreningar som innehåller syreatomer. Denna demonstration av en 2-D elektrongas signalerade löftet om att begränsa elektrisk ström till mindre utrymmen och, i tur och ordning, krympa elektroniska komponenter till mindre skalor.

Ändå har den negativt laddade elektronen en motsvarighet - ett positivt laddat "hål" som den lämnar efter sig när den kastas ut från sin omloppsbana runt en atom. Så fysiker satte sig för att skapa och observera en 2D-hålsgas som också fungerar som en källa till elektrisk ström.

Som beskrivs i journalen Naturmaterial , forskare från University of Wisconsin-Madison och University of Nebraska-Lincoln ledde vägen för att uppnå den länge eftersträvade bedriften. Att göra det krävde flera år av perfektion av både ingredienserna och förberedelserna. Nebraskas Evgeny Tsymbal och Tula Paudel informerade den senare genom att köra teoribaserade beräkningar och modellering genom universitetets Holland Computing Center.

Själva receptet verkade enkelt nog. För att producera en 2-D elektrongas, forskare hade tidigare staplat ett positivt laddat oxidskikt på en neutral bas, fann att negativt laddade elektroner flockades nedåt till det nanoskopiska utrymmet mellan de två. Genom att lägga till ett negativt laddat lager ovanpå den positiva skivan, täck sedan nanosmörgåsen med ett annat neutralt lager, forskare hade hoppats att se positivt laddade hål efterlikna det beteendet genom att migrera uppåt för att bilda sin egen 2D-gas.

De gjorde motstånd. Varför? Syreatomer övergav sina poster, och deras positivt laddade vakanser - värdelösa för att producera en elektrisk ström - hindrade hålen från att fortsätta uppåt.

"Vi tittade på de olika koncentrationerna av syrevakanserna, de olika positionerna för dessa defekter, och hur beteendet förändras (som ett resultat), sa Tsymbal, George Holmes University professor i fysik och astronomi.

Teamet fann att det kunde komma undan med ett fåtal frånvarande syreatomer så länge de som var i rörelsen lyckades hålla sig stadiga.

"Positionering är viktigt, sa Paul, en forskarassistent som utförde de flesta beräkningarna. "Du vill inte ha syrevakanserna nära regionen där du ska ha en tvådimensionell hålgas."

Dessa insikter, kombinerat med exakta specifikationer för tjockleken på varje skiva i nano-smörgåsen, guidade experiment som äger rum i Wisconsin. Genom att bygga dessa skivor atom för atom - lättare att göra med oxider än många andra klasser av material - och tillverka materialet i ett trycksatt, syrerik miljö som minimerar vakanser, forskarna i Wisconsin lyckades producera och karakterisera 2D-hålsgasen.

I årtionden, ingenjörer har tillverkat majoriteten av elektroniska komponenter av halvledande material som kisel, branschens arbetshäst.

"Problemet är att vi närmar oss grundläggande gränser, sa Tsymbal, chef för Nebraskas materialforskningsvetenskaps- och teknikcenter. "Någon gång (snart), vi kommer att närma oss vissa gränser bortom vilka vi inte kan fortsätta (följa) halvledarvägkartan på det sätt som vi gjorde tidigare. Så vi måste konceptuellt förändra hur våra enheter fungerar."

En av dessa begränsningar är utrymmet. Kapplöpet för att få mer funktionalitet – minne, till exempel – in i mindre och mindre enheter har lämnat ingenjörer att titta på oxider och andra material som, när de kombineras, kan klämma in ledningsförmågan i de snästa gränserna. Den nya studien utnyttjade en oxid som heter strontiumtitanat - vad Tsymbal beskrev som "oxidelektronikens kisel" - för att uppnå detta.

"Fördelen här är att inneslutningen - tjockleken på denna tvådimensionella elektron eller hålgas - är mycket mindre jämfört med vad du har i halvledare, " sa Tsymbal. "Istället för, till exempel, tiotals nanometer, vi kan begränsa det till en nanometer. Så, i princip, vi kan göra enheterna mycket mindre jämfört med de inom halvledarelektronik."

Även om strontiumtitanat och dess oxidbröder i allmänhet inte uppvisar magnetism på egen hand, de gör det ibland när de kombineras. De visar till och med potentialen för supraledning – elektrisk ström som flyter utan motstånd – och andra egenskaper som tilltalar el- och datoringenjörer.

Som teoretiker, Tsymbal och Paudel är intresserade av de fenomen som kan uppstå från 2D-elektron- och hålgaser som strömmar parallellt genom samma material. Bland dem:sammankopplingen av elektroner och hål till partikelliknande excitoner som beter sig annorlunda som ett stort kollektiv än de gör ensamma.

"Oxider med dessa kompletterande 2D-gaser kan nu börja fungera som nanoskopiska laboratorier där man kan skapa och studera ny fysik, sa Paudel.

Hur dessa fenomen så småningom kan tillämpas är fortfarande en öppen fråga, Tsymbal sa, men en väl värd att utforska.

"När forskare började arbeta med halvledare för mer än 60 år sedan, ingen visste att de skulle bli centrala för modern teknik, " sa Tsymbal. "Vid det här laget, oxidelektronik är på grundforskningsnivå, så det är svårt att förutse vart de kommer att ta vägen.

"Men du kan kontrollera oxidgränssnitt med extrem precision. När du väl har det, du kan göra något liknande vad halvledare uppnår - men kanske också något annat."