Det krävdes ett byggnadsprojekt i nanoskala i nivå med de mycket större som peppar Nebraskas motorvägar, men fysikern Xia Hong styr nu den slumpmässiga trafiken av elektroner tillräckligt bra för att analysera den – och, nerför gatan, använda den i nästa generations teknik.

Hong och hennes kollegor vid University of Nebraska–Lincoln har ägnat de senaste åren åt att studera vad som händer, och vad kan uppnås, när nanoskopiskt tunna material deponeras ovanpå varandra. Hon har varit upptagen med att toppa atomlager av halvledare – som leder elektricitet bättre än isolatorer men inte lika bra som metaller – med ferroelektrik, vars anpassning av positiva och negativa laddningar, eller polarisering, kan omedelbart växlas genom att applicera ett elektriskt fält på dem.

Genom att använda tillvägagångssättet, Hong har redan framkallat alla möjliga intressanta, tekniskt tilltalande och, kanske bäst av allt, omkonfigurerbara fenomen i de underliggande halvledarna. I en ny studie, hennes team lade en ferroelektrisk polymer ovanpå en halvledare som kallas rheniumdisulfid. Tidigare forskning hade föreslagit att rheniumdisulfid har en uppskattad egenskap:förmågan att transportera elektroner, eller leda elektricitet, mycket lättare åt vissa håll än i andra. Den kvaliteten, känd som anisotropi, ger elektroingenjörer mycket större och nödvändig kontroll över flödet av elektrisk ström.

Men faktiskt mäter, att undersöka och manipulera fenomenet hade visat sig vara svårt, delvis på grund av det faktum att elektroner som strömmar genom även den tunnaste skivan av rheniumdisulfid är benägna att svepa eller T-bena varandra.

Hongs lösning? Lås in polariseringen av den överliggande polymeren och omvandla effektivt den underliggande halvledaren till en isolator som motstod strömmen av elektricitet. Sedan, vänd polarisationen av polymeren - men bara i ett 300 nanometer brett band som delade det överliggande ferroelektriska materialet. Resultatet:en tunn, ledande nanotråd i det annars isolerande lagret av rheniumdisulfid under den. Eller, som Hong beskrev det, en ensam motorväg för elektroner mitt i en oframkomlig öken.

Med elektrontrafiken begränsad till just den vägen, Hong och hennes Husker-kollegor var redo att studera dess flöde med oöverträffade nivåer av precision. När de gjorde det, de upptäckte att rheniumdisulfids ledningsförmåga beror på, i en utomordentlig grad, på själva vägens orientering.

Om den banan är nära parallell med en axel som definieras av arrangemanget av atomer i materialet, den leder elektricitet nästan lika bra som en metall. Om banan istället är vinkelrät mot den axeln, fastän, konduktiviteten sjunker brant. Faktiskt, den vinkelberoende skillnaden i konduktivitet - dess anisotropi - är cirka 5, 000 gånger större än vad som rapporterats i en 2D, ferroelektriskt styrd konfiguration hittills.

"Så vi använde denna mycket speciella teknik för att bekräfta, för första gången, att anisotropin är enorm, sa Hong, docent i fysik och astronomi i Nebraska.

Förvånande, Hong sa, anisotropin var störst när man mätte den i rheniumdisulfid som var fyra atomlager tjocka. Det var också i versionen med fyra lager som hennes teams mätningar överensstämde närmast med teoretiska förutsägelser bidragit med Evgeny Tsymbal, George Holmes University professor i fysik och astronomi.

En del av anledningen? Att lägga till några lager subtraherade viss komplexitet, sa Hong. Flera faktorer kan påverka anisotropi i enskikts rheniumdisulfid. Men den extrema konduktivitetsskillnaden i fyrskiktsversionen kan förutsägas enbart av dess så kallade bandstruktur:hur många elektroner kan fylla en energinivå som gör att de kan börja migrera och, genom att göra så, leda elektrisk ström. Det energibandet planar ut i vissa riktningar när lager läggs till, forskarna drog slutsatsen, producerar fler trafikstockningar bland elektroner och eskalerar riktningsskillnaderna i konduktivitet.

"De flesta skulle tendera att fokusera på ett monolager, " sa Hong. "Men vi hittade, faktiskt, att det är materialet med få lager som är mer intressant."

Hong sa att kunskap, och storleken på själva effekten, skulle kunna göra rheniumdisulfid särskilt användbart för att tillverka linser som fokuserar elektroner på ungefär samma sätt som optiska linser gör ljusstrålar. Elektronlinser hjälper till att ge extraordinärt högupplösta bilder av nanoskopiska föremål som inte kan lösas upp med ljus.

"Detta material har, i sig själv, en förmåga att få elektroner att bara röra sig effektivt i en riktning, " sa Hong. "Så vi kan använda det här som en byggsten för dessa linser."

Dess anisotropi, kombinerat med andra egenskaper som är inneboende i atomsammansättningen av rheniumdisulfid, kan också placera materialet som en fruktbar lekplats för att generera och kontrollera en rad fenomen som är mycket bredare än de flesta material kan hävda, sa Hong.

"Jag tror att det här är ett material, " Hon sa, "där du kan vara värd för magnetism eller supraledning, till exempel.

"Vi tror att detta är en utgångspunkt. Så vi vill använda detta som ett värdmaterial och, förmodligen med viss manipulation, lär dig att slå på och av dessa fenomen."

Forskarna rapporterade sina resultat i tidskriften Fysiska granskningsbrev .