Upptäckten av en aldrig tidigare skådad fysisk effekt i ett nytt artificiellt material markerar en betydande milstolpe i den långa processen att utveckla "beställningssydda" material och mer energieffektiv elektronik.

Dagens kiselbaserade elektronik förbrukar en betydande och ständigt ökande andel av världens energi. Ett antal forskare undersöker egenskaperna hos material som är mer komplexa än kisel men som visar lovande för morgondagens elektroniska enheter – och som är mindre elhungriga. I enlighet med detta tillvägagångssätt, forskare från universitetet i Genève (UNIGE) har arbetat i samarbete med det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne (EPFL), universitetet i Zürich, Flatiron Institute of New York och University of Liège. Forskarna har upptäckt ett hittills okänt fysiskt fenomen i ett konstgjort material som består av mycket tunna lager av nickelater. Detta kan utnyttjas för att noggrant kontrollera vissa av materialets elektroniska egenskaper, såsom den plötsliga övergången från ett ledande till ett isolerande tillstånd. Det kan också användas för att utveckla nya, mer energieffektiva enheter. Du kan läsa om detta tekniska framsteg i tidskriften Naturmaterial .

"Nickelater är kända för en speciell egenskap:de växlar plötsligt från ett isolerande tillstånd till det hos en elektrisk ledare när deras temperatur stiger över en viss tröskel, " börjar Jean-Marc Triscone, en professor vid institutionen för kvantmateriens fysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. "Denna övergångstemperatur varierar beroende på materialets sammansättning."

Nickelater bildas av en nickeloxid med tillägg av en atom som tillhör så kallade "sällsynta jordartsmetaller" (dvs en uppsättning av 17 grundämnen från det periodiska systemet). När denna sällsynta jordart är samarium (Sm), till exempel, metallisolatorhoppet sker vid cirka 130°C, medan om det är neodym (Nd), tröskeln sjunker till -73°C. Denna skillnad förklaras av det faktum att när Sm ersätts med Nd, föreningens kristallstruktur är deformerad — och det är denna deformation som styr värdet på övergångstemperaturen.

I deras försök att lära sig mer om dessa material, de Genève-baserade forskarna studerade prover som består av upprepade lager av samariumnickelat avsatt på lager av neodymnickelat – en sorts "super sandwich" där alla atomer är perfekt ordnade.

Beter sig som ett enda material

Claribel Dominguez, en forskare vid institutionen för kvantmateriens fysik och artikelns första författare, förklarar:"När lagren är ganska tjocka, de beter sig självständigt, var och en håller sin egen övergångstemperatur. Märkligt nog, när vi förfinade lagren tills var och en inte var större än åtta atomer, hela provet började bete sig som ett enda material, med bara ett stort hopp i konduktivitet vid en mellanliggande övergångstemperatur."

En mycket detaljerad analys utförd med elektronmikroskop vid EPFL – uppbackad av sofistikerade teoretiska utvecklingar utförda av amerikanska och belgiska kollegor – visade att utbredningen av deformationerna i kristallstrukturen vid gränssnitten mellan materialen endast sker i två eller tre atomlager . Följaktligen, det är inte denna förvrängning som förklarar det observerade fenomenet. I verkligheten, det är som om de yttersta lagren på något sätt vet att de är väldigt nära gränssnittet men utan att deformeras fysiskt.

Det är inte magi

"Det finns inget magiskt med det, säger Jennifer Fowlie, en forskare vid institutionen för kvantmateriens fysik och medförfattare till artikeln. "Vår studie visar att upprätthålla ett gränssnitt mellan en ledande region och en isolerande region, som är fallet i våra prover, är mycket dyrt energimässigt. Så, när de två lagren är tillräckligt tunna, de kan anta ett mycket mindre energikrävande beteende, som består av att bli ett enda material, antingen helt metalliskt eller helt isolerande, och med en gemensam övergångstemperatur. Och allt detta sker utan att kristallstrukturen ändras. Denna effekt, eller koppling, är utan motstycke."

Denna upptäckt möjliggjordes tack vare stödet från Swiss National Science Foundation och Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials' Control). Det ger ett nytt sätt att kontrollera egenskaperna hos konstgjorda elektroniska strukturer, som, i det här fallet, är det hopp i konduktivitet som Genèveforskarna fick i deras sammansatta nickelat, vilket representerar ett viktigt steg framåt för att utveckla nya elektroniska enheter. Nickelater kan användas i applikationer som piezoelektriska transistorer (reagerar på tryck).

Mer allmänt, Genèvearbetet passar in i en strategi för att producera konstgjorda material "genom design, "dvs med egenskaper som uppfyller ett specifikt behov. Denna väg, som följs av många forskare runt om i världen, har ett löfte för framtidens energieffektiva elektronik.