Viene mostrato un grafico di un'interfaccia emergente spontaneamente in un materiale quantistico. Negli strati superiore e inferiore gli atomi (punti verdi) del materiale indagato portano un momento magnetico (freccia rossa) che punta in direzioni opposte. In questi strati questi momenti magnetici non sono correlati con gli elettroni circostanti (punti neri). Lo strato centrale è simile a un'interfaccia elettronica, in cui gli atomi non portano momenti magnetici perché sono schermati dai momenti magnetici degli elettroni circostanti (frecce nere). L'effetto retinato è evidenziato da una nuvola retinata blu. La dispersione degli elettroni dagli atomi è diversa negli strati magnetici e non magnetici che possono essere sfruttati per nuove funzionalità. Credito:Los Alamos National Laboratory
Potrebbe essere in corso una potenziale rivoluzione nell'ingegneria dei dispositivi, grazie alla scoperta di interfacce elettroniche funzionali in materiali quantistici che possono autoassemblarsi spontaneamente.
"Questo dimostra che se possiamo imparare a controllare e sfruttare le notevoli proprietà alle interfacce dei materiali quantistici, questo probabilmente si tradurrà in una nuova generazione di dispositivi oltre la nostra attuale immaginazione, " ha detto Marc Janoschek, un fisico del Los Alamos National Laboratory che, con David Fobes, anche di Los Alamos, ha co-guidato il team di ricerca internazionale che ha effettuato la scoperta. I loro risultati sono stati pubblicati oggi in Fisica della natura . "Però, perché i materiali quantistici sono chimicamente molto più complessi rispetto ai materiali "convenzionali" come i semiconduttori, rimane una sfida fabbricare interfacce pulite di materiali quantistici".
I materiali con proprietà caratterizzate dalle leggi della meccanica quantistica piuttosto che dalla meccanica classica hanno spesso caratteristiche come la superconduttività. Ma ricerche approfondite hanno dimostrato che alle interfacce tra due materiali, le notevoli proprietà dei materiali quantistici possono essere fortemente migliorate o possono sorgere proprietà funzionali completamente nuove.
Un esempio dell'importanza delle interfacce materiali sarebbero i transistor, la cui funzione si basa su effetti fisici che si verificano su interfacce di semiconduttori ingegnerizzate artificialmente tramite tecniche come la litografia. I transistor costituiscono la base per l'attuale generazione di dispositivi elettronici.
La complessità dei materiali quantistici è spesso caratterizzata dalla competizione di varie interazioni a livello quantistico.
"Qui abbiamo dimostrato che allo stesso tempo questa complessità fornisce anche una soluzione, " disse Fobes, che ha svolto la sua ricerca post-dottorato sotto la supervisione di Janoschek. Fobes e Janoschek hanno guidato il team internazionale di ricercatori che hanno combinato ampie misurazioni di spettroscopia di neutroni dalla Spallation Neutron Source (SNS) dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Centro per la ricerca sui neutroni (NCNR) del National Institute of Standards and Technology (NIST), Fonte di neutroni e muoni del Regno Unito (ISIS), e al Munich Research Reactor II (FRM II) dell'Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum in Germania con modelli teorici dettagliati.
Marc Janoschek, sinistra, e David Fobes discutono le caratteristiche dei materiali quantistici. Credito:Los Alamos National Laboratory
"Le misurazioni della spettroscopia di neutroni sono state fondamentali per dimostrare che in alcuni metalli, la competizione tra le varie interazioni può essere risolta dalla formazione spontanea di uno stato in cui le proprietà elettroniche e magnetiche si alternano periodicamente, " ha detto Georg Ehlers, lo scienziato ORNL che ha eseguito misurazioni spettroscopiche presso SNS.
Questa disposizione periodica porta a interfacce tra strati di materiale alternati che sono simili alle interfacce nelle eterostrutture ingegnerizzate. Però, le interfacce spontaneamente autoassemblanti identificate in questo studio presentano importanti vantaggi; sono intrinsecamente puliti, e parametri rilevanti come lo spessore dell'interfaccia possono essere regolati in situ tramite parametri esterni come il campo magnetico o la temperatura.
Gli ingredienti di base identificati da Fobes e dal team sono comuni a diverse classi di materiali quantistici e suggeriscono che queste interfacce intrinseche e sintonizzabili potrebbero essere più frequenti. Imparare a controllare l'autoassemblaggio di tali interfacce quantistiche intrinseche, a sua volta, ha il potenziale per rivoluzionare il design dei dispositivi, dove i dispositivi non sono fabbricati ma si formano spontaneamente tramite l'ingegneria quantistica delle interazioni su scala atomica sottostanti. Inoltre, questi dispositivi potrebbero essere sintonizzati e riconfigurati utilizzando parametri esterni, possibilmente consentendo la progettazione di elettronica altamente adattiva.
