Det finns mer i glas än vad som syns.

Glasögon, som är oordningsmaterial utan någon långsiktig kemisk ordning, har några mystiska egenskaper som har förblivit gåtfulla i flera decennier.

Bland dessa finns de avvikande vibrationstillstånd som bidrar till värmekapaciteten vid låg temperatur. Tidiga forskare konstaterade att dessa stater följer Bose-Einstein-statistiken, och namnet fastnade, så idag är denna funktion känd som bosontoppen.

Det är allmänt accepterat att dessa vibrationstillstånd uppstår från förfallet av bosoniska fononliknande kvasipartiklar i den starka störda glasmiljön.

Nyligen samarbete mellan FLEET -partner University of Wollongong, RMIT och ANSTO har avslöjat boson-toppens frekvens i tätheten av tillstånd av ultratunn aluminiumoxid med tjocklekar av 2 nanometer.

Amorf aluminiumoxid är ett viktigt glas, används i elektronikindustrin som ett dielektriskt lager, och inom den framväxande kvantdatorsektorn där den spelar rollen som barriären i en Josephson -barriärkorsning.

Ändå överraskande, många av de grundläggande egenskaperna hos aluminiumoxid förblir okända eftersom det är termodynamiskt instabilt i makroskala.

UoW /RMIT -teamet övervann detta problem genom att fokusera på glasögon i nanoskala, i samband med kärnskalskalpartiklar av en aluminiumkula inlindade i en tunn hud av dess nativa aluminiumoxid. Du kan se det som ett hårdkokt ägg, med en invändig aluminiumfast "äggula" omgiven av en tunn, yttre aluminiumoxidskal.

Beväpnad med dessa nya (och lätt explosiva) prover, de använde neutronspektroskopi vid ANSTO - en av FLEET -partnerorganisationerna - för att mäta gittervibrationerna i kärnskalpartiklarna.

Genom att studera olika partikelstorlekar, det relativa förhållandet mellan kärnan:skalet varierades för att möjliggöra för gruppen att separera bidragen av "äggulan" -aluminiumet och från aluminiumoxidets "skal".

Med hjälp av de små partiklarna för att förbättra ytkontrasten, gruppen avslöjade en THz-frekvensfunktion för bosontoppen som överensstämmer med teoretiska beräkningar.

"Jag var upphetsad över att se matchningen mellan molekylära dynamiken som utfördes av Cole -gruppen och vårt neutronförsök, "säger huvudförfattaren David Cortie." Vår förmåga att förutsäga vibrationella och elektroniska egenskaper hos ultratunna material och heterointerfaces blir bättre från år till år. "

Eftersom gittervibrationer är en ledande källa till avledning inom elektronik, de nya mätningarna är användbara för att identifiera metoder för att kontrollera värmeöverföring genom ultratunn aluminiumoxid. Detta har också några andra överraskande konsekvenser utanför elektroniken, eftersom nästa generation av rymdfarkoster för bortom Mars-expeditioner kan använda aluminium/aluminiumoxidbränslen om värmeöverföringsproblemet kan minskas.

I en separat utveckling, gruppen fann också tydliga bevis för väte i form av H2O- och hydroxylgrupper som susade runt på aluminiumoxidens yta, och rapporterade ett förfarande för att avlägsna dessa naturliga ytdefekter med användning av ett värmebehandlingsförfarande.

"Vi bestämde oss inte för att studera väte, "säger huvudförfattaren Jared Cole, "Dock, det faktum att vi observerade det så tydligt kan vara ganska serendipitöst. Väte är en viktig ytförorening i kvant supraledande kretsar, och experiment som detta är ett användbart sätt att lära sig hur det beter sig, och hur man mildrar dess effekter. "

Normalt är väte nästan osynligt för standardtekniker, men neutroner sprider sig tio gånger starkare från väte än andra grundämnen eftersom de interagerar med via kärnkrafter snarare än elektromagnetiska interaktioner. Vid extremt låga temperaturer, kvanttunnel av väte i tvånivåsystem är en kandidat för att förklara källan till dekoherens i ledande kvantberäkningssystem.

Studien, "Bosontopp i ultratunna aluminiumoxidskikt undersökta med neutronspektroskopi, "publicerades i Fysisk granskningsforskning .