Adsorption och struktur inuti nanoporer. a Mörkgrå cirklar illustrerar adsorptionsbeteendet hos 4 Han vid 4,2 K in i MCM-41 förpläterad med ett monolager av Ar-gas när trycket ökas. Här P 0 är bulkjämviktsångtrycket för 4 Han. De färgade stjärnorna indikerar fyllningarna där 4 har slutförts Lagren förekommer med de utropade infällda bilderna som visar quantum Monte Carlo-konfigurationer av ett tvärsnitt av MCM-41 med ett ekvilibrerat Ar-lager (ljusgrå sfärer) vid P /P 0 = 0, och de framkallande lagren av 4 Han (1 lager till 3 lager plus central kärna) när trycket ökar. Här representeras Ar som ett cylindriskt skal för tydlighetens skull. Den ljuslila diamanten indikerar fyllningen vid vilken experimentella oelastiska neutronspridningsmätningar utfördes vid Q i = 4,0 Å −1 motsvarande helt fyllda porer. b Quantum Monte Carlo-resultat med arkiverade stokastiska felstaplar för atomernas radiella taltäthet ρ rad (r ) inuti nanoporer vid T = 1,6 K där spridningsexperimenten utfördes. Färgerna motsvarar de stjärnmärkta fyllnadsfraktionerna i a . När trycket ökar visas 4 Atomerna bildar en serie koncentriska skikt, med densiteten hos de yttre skikten som också ökar. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30752-3
Fysiker vid Indiana University och University of Tennessee har knäckt koden för att göra mikrochips mindre, och nyckeln är helium.
Mikrochips finns överallt, kör datorer och bilar och hjälper till och med människor att hitta förlorade husdjur. När mikrochips växer sig mindre, snabbare och kan göra fler saker, måste ledningarna som leder elektricitet till dem följa efter. Men det finns en fysisk gräns för hur små de kan bli – om de inte är utformade på annat sätt.
"I ett traditionellt system, när du sätter på fler transistorer, blir ledningarna mindre", säger Paul Sokol, professor vid IU Bloomington College of Arts and Sciences Department of Physics. "Men under nydesignade system är det som att begränsa elektronerna i ett endimensionellt rör, och det beteendet är helt annorlunda än en vanlig tråd."
För att studera partiklars beteende under dessa omständigheter, samarbetade Sokol med en fysikprofessor vid University of Tennessee, Adrian Del Maestro, för att skapa ett modellsystem av elektronik packat i ett endimensionellt rör.
Deras resultat publicerades nyligen i Nature Communications .
Paret använde helium för att skapa ett modellsystem för sin studie eftersom dess interaktioner med elektroner är välkända, och det kan göras extremt rent, sa Sokol. Det fanns dock problem med att använda helium i ett endimensionellt utrymme, det första var att ingen någonsin hade gjort det tidigare.
"Tänk på det som ett auditorium," sa Sokol. "Människor kan röra sig på många olika sätt. Men i en lång, smal hall kan ingen gå förbi någon annan, så det beteendet blir annorlunda. Vi utforskar det beteendet där alla är instängda i en rad. Den stora fördelen med att använda en heliummodell är att vi kan gå från att ha väldigt få människor i hallen till att ha det packat. Vi kan utforska hela fysikområdet med detta system, vilket inget annat system låter oss göra."
Att skapa ett endimensionellt heliummodellsystem innebar många andra utmaningar även för forskarna. Om de försökte göra ett rör tillräckligt litet för att hålla heliumet, till exempel, var det för svårt att göra mätningar.
Det var också omöjligt att använda tekniker som neutronspridning, en kraftfull metod som involverade användningen av en reaktor eller accelerator som genererar en stråle av neutroner för att samla in detaljerad information om partikelbeteende i ett endimensionellt system.
Å andra sidan kunde de göra mycket långa rör med hjälp av specialiserade glasögon odlade runt mallmolekyler, men hålen var inte tillräckligt stora för att begränsa heliumet till en dimension.
"Du behöver bokstavligen göra ett rör som bara är några atomer brett," sa Del Maestro. "Ingen normal vätska skulle någonsin flöda genom ett så smalt rör, eftersom friktion skulle förhindra det."
För att lösa denna utmaning nanokonstruerade teamet ett material genom att ta glasögon som har endimensionella kanaler och plätera dem med argon för att belägga ytan och göra en mindre kanal. De kunde sedan göra prover som skulle innehålla mycket helium och stödja användningen av tekniker som neutronspridning för att få detaljerad information om systemet.
Med det experimentella förverkligandet av endimensionellt helium har Del Maestro och Sokol öppnat en viktig ny väg för denna forskning.
Därefter planerar teamet att använda det här nya modellsystemet för att studera helium vid höga densiteter – jämförbara med elektroner i en tunn tråd – och låga tätheter – jämförbara med endimensionella arrayer av atomer som används inom kvantinformationsvetenskap.
De planerar också att utveckla andra nanokonstruerade material, såsom cesiumbelagda porer där heliumet inte väter cesiumytan. Detta skulle ytterligare minska interaktionen mellan det inneslutna heliumet och omvärlden och ge ett mer idealiskt system för att utmana nya teorier. + Utforska vidare
