De revolutionerande tekniska upptäckterna under de närmaste decennierna, de som kommer att förändra vardagen, kan komma från nya material som är så små att de får nanomaterial att se ut som klumpiga giganter.

Dessa nya material kommer att designas och förfinas i picometerskala, som är tusen gånger mindre än en nanometer och en miljon gånger mindre än en mikrometer (som i sig är mindre än bredden på ett människohår). För att kunna utföra detta arbete, forskare kommer att behöva utbildning i en rad ny utrustning som kan mäta och vägleda sådana utsökt kontrollerade material. Arbetet innebär att utforma materialen teoretiskt, tillverka dem, och karakterisera deras egenskaper.

vid Yale University, de har ett namn för det; de kallar det "picoscience".

"Forskare vid Yale uppfinner nya material som är små, snabb, och kan uppträda på en mängd olika sätt, som att efterlikna neuroner i hjärnan, datorer med magneter, och beräkningar med kvantmekanik, sade Frederick Walker, en senior forskare i Charles Ahns labb, John C. Malone professor i tillämpad fysik, Maskinteknik och materialvetenskap, och fysik, och ordförande för institutionen för tillämpad fysik.

Ahn är seniorförfattare till en ny studie som flyttar pikovetenskapen i ytterligare en riktning:ta element från det periodiska systemet och mixtra med dem på subatomär nivå för att reta fram nya material.

Sangjae Lee, en doktorand i Ahns labb och första författare till studien, designade och odlade det nya materialet, som är en konstgjord, skiktad kristall sammansatt av grundämnena lantan, titan, kobolt, och syre.

Forskarna skiktade elementen ett atomplan i taget, så att en atomtjocka skivor av titanoxid överför en elektron till en atomtjocka skivor av koboltoxid. Detta förändrade den elektroniska konfigurationen och magnetiska egenskaperna hos koboltoxidarket.

"Vi kunde manipulera de ingående atomerna med en precision som var mycket mindre än själva atomen, "Sa Lee. "Dessa typer av nya kristaller kan utgöra grunden för att utveckla nya magnetiska material, där en känslig balans mellan magnetism och elektronisk ledning vid så små längdskalor kan manipuleras i nya, transistorliknande enheter som har prestandafördelar jämfört med dagens transistorer."

Lee utbildade sig på ett antal instrument som utvecklas vid National Synchrotron Light Source II vid Brookhaven National Laboratory i New York. En synkrotron är en maskin som är ungefär lika stor som en fotbollsplan som snabbar upp elektroner nästan till ljusets hastighet. Elektronerna genererar extremt ljusa röntgenstrålar som används av forskare i experiment.

Den nya studien visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev och har medförfattare från Yale, Brookhaven, Flatiron Institute, och Argonne National Laboratory. Yale medförfattare, förutom Ahn och Lee, är Sohrab Ismail-Beigi, Alex Taekyung Lee, Rollator, Ankit Disa, och Yichen Jia.

Förutom att designa och odla de nya materialen, Sangjae Lee karakteriserade dem och analyserade resultaten. Från den teoretiska sidan, Yale-kollegorna Alex Taekyung Lee och Alexandru Georgescu, som nu är på Center for Computational Quantum Physics vid Flatiron Institute, använde kvantmekaniska beräkningar för att beräkna materialens struktur och dess effekt på deras elektroniska konfiguration. Detta arbete gjorde det möjligt för teamet att beskriva materialens magnetiska tillstånd.

Yale har identifierat utvecklingen av kvantmaterial som ett prioriterat forskningsområde, förutse deras användning i nya beräkningssystem som vida kommer att överträffa dagens datorer. Universitetet har också noterat betydelsen av samarbeten med Brookhaven, som har några av de mest avancerade materialkarakteriseringsanläggningarna i USA, inklusive landets nyaste synkrotron.

"Uppfinnandet av nya material har varit kärnan i tekniska framsteg som har förändrat våra liv, " sa medförfattaren Ismail-Beigi, en professor i tillämpad fysik vid Yale. "Nytt elektroniskt material har drivit den ständigt ökande kapaciteten hos mobiltelefoner, datorer, tabletter, smarta klockor, och medicinsk utrustning."

Medförfattaren Walker betonade vikten av kommunikation mellan experimentalister och teoretiker vid utförande av pikovetenskaplig forskning:"En synergistisk återkopplingsslinga mellan teoretisk design och experimentell tillverkning är avgörande för att framgångsrikt upptäcka nya materialegenskaper, " sade han. "Denna feedback-loop har blivit en signatur för National Science Foundations materialupptäcksprogram och utvecklades ursprungligen vid Yale."