Tutti gli elementi sono lì per cominciare, per così dire; è solo questione di capire di cosa sono capaci, da soli o insieme. Per il laboratorio di Leslie Schoop, una recente indagine di questo tipo ha scoperto un composto stratificato con un trio di proprietà non precedentemente note per l'esistenza in un materiale.

Con un team interdisciplinare internazionale, scuola, professore assistente di chimica, e Shiming Lei, associato di ricerca post-dottorato, ha pubblicato un articolo la scorsa settimana in Progressi scientifici riportando che il materiale van der Waals gadolinio tritelluride (GdTe3) mostra la più alta mobilità elettronica tra tutti i materiali magnetici stratificati conosciuti. Inoltre, ha un ordine magnetico, e può essere facilmente esfoliato.

Combinato, queste proprietà lo rendono un candidato promettente per nuove aree come i dispositivi magnetici twistronici e la spintronica, così come i progressi nella memorizzazione dei dati e nella progettazione dei dispositivi.

Il team di Schoop ha inizialmente scoperto queste caratteristiche uniche all'inizio del 2018 poco dopo l'inizio del progetto. Il loro primo successo è stato nel dimostrare che il GdTe3 è facilmente esfoliabile fino a scaglie ultrasottili al di sotto di 10 nm. Successivamente, il team ha trascorso due anni a perfezionare la purezza dei cristalli del materiale a uno stato che serviva solo ad amplificare i risultati. Il laboratorio ha già spedito una serie di campioni ai ricercatori desiderosi di esplorare come il composto si inserisce in una categoria precedentemente occupata solo da fosforo nero e grafite. L'elevata mobilità è rara nei materiali stratificati.

Le proprietà dettagliate nello studio, descritti come oscillazioni quantistiche o "wiggles" che possono essere misurati, sono così pronunciati che sono stati osservati senza le sonde e le apparecchiature speciali generalmente presenti nei laboratori nazionali.

"Generalmente, se vedi queste oscillazioni, dipende in parte dalla qualità del tuo campione. Ci siamo davvero seduti e abbiamo realizzato i migliori cristalli possibili. Nel corso di due anni abbiamo migliorato la qualità, in modo che queste oscillazioni diventassero sempre più drammatiche, " disse Schoop. "Ma i primi campioni li hanno già mostrati, anche se con i primi cristalli siamo cresciuti non sapevamo esattamente cosa stavamo facendo, " ha detto Schop.

"È stato molto eccitante per noi. Abbiamo visto questi risultati di elettroni altamente mobili in questo materiale che non ci aspettavamo. Ovviamente speravamo in buoni risultati. Ma non mi aspettavo che fosse così drammatico, " ha aggiunto Scuola.

Lei ha caratterizzato la notizia come una "svolta" in gran parte a causa dell'elevata mobilità. "Aggiungere questo materiale allo zoo dei materiali 2-D van der Waals è come aggiungere un ingrediente appena scoperto per cucinare, che permette nuovi sapori e piatti, " Egli ha detto.

"Quindi prima, tiri fuori questi materiali. La prossima cosa è identificare il potenziale:qual è la funzione del dispositivo che puoi ricavarne? Quali sono le prestazioni che possiamo migliorare ulteriormente come nuova generazione di materiali lungo questa linea?"

Un tritelluride di terre rare, GdTe3 ha una mobilità portante oltre i 60, 000 cm2V-1s-1. Ciò significa che se si applica al materiale un campo di un volt per cm, gli elettroni si muovono con una velocità netta di 60, 000 cm al secondo. Per confrontare, le mobilità in altri materiali magnetici si trovano spesso a poche centinaia di cm2V-1s-1 .

"L'elevata mobilità è importante perché ciò significa che gli elettroni all'interno dei materiali sono in grado di viaggiare ad alta velocità con una dispersione minima, riducendo così la dissipazione del calore di eventuali dispositivi elettronici costruiti da esso, " disse Lei.

I materiali di Van der Waals, in cui gli strati sono legati da una forza debole, sono i composti principali dei materiali 2-D. I ricercatori li stanno studiando per la fabbricazione di dispositivi di nuova generazione e anche per l'uso in twisttronics, descritto per la prima volta nella comunità scientifica solo pochi anni fa. Con twistronici, gli strati di materiali 2D sono disallineati o attorcigliati mentre si trovano uno sopra l'altro. Il giudizioso disallineamento del reticolo cristallino può cambiare elettrico, proprietà ottiche e meccaniche in modi che possono offrire nuove opportunità per le applicazioni.

Inoltre, è stato scoperto circa 15 anni fa che i materiali di van der Waals potevano essere esfoliati fino allo strato più sottile usando qualcosa di così comune come lo scotch. Questa rivelazione eccitò molti nuovi sviluppi in fisica. Finalmente, Solo di recente è stato rivelato che i materiali 2-D mostrano un ordine magnetico, in cui gli spin degli elettroni sono allineati tra loro. Tutti i dispositivi "sottili":dischi rigidi, ad esempio, si basano su materiali che si ordinano magneticamente in modi diversi che producono efficienze diverse.

"Abbiamo trovato questo materiale in cui gli elettroni si propagano come su un'autostrada:perfetto, molto facilmente, veloce, " ha detto Schoop. "Avere questo ordine magnetico in aggiunta e il potenziale per andare a due dimensioni è solo qualcosa che era unicamente nuovo per questo materiale".

I risultati dello studio sono una forte dimostrazione per il giovane laboratorio di Schoop, istituita poco più di due anni fa. Sono il prodotto di una collaborazione con il Princeton Center for Complex Materials, un Centro per la ricerca scientifica e tecnica sui materiali finanziato dalla NSF, e co-autori Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, e Ali Yazdani, tutte le facoltà con il Dipartimento di Fisica di Princeton.

Per comprendere appieno le proprietà elettroniche e magnetiche del GdTe3, il team ha anche collaborato con il Boston College per i test di esfoliazione, e Argonne National Laboratory e il Max Planck Institute for Solid State Research per comprendere la struttura elettronica del materiale utilizzando la radiazione di sincrotone.

Da una prospettiva più ampia, ciò che ha soddisfatto maggiormente Schoop dello studio è stata l'"intuizione chimica" che ha portato il team a iniziare l'indagine con GdTe3 in primo luogo. Sospettavano che ci sarebbero stati risultati promettenti. Ma il fatto che GdTe3 li abbia prodotti così rapidamente ed enfaticamente è un segno, ha detto Schoop, che la chimica ha contributi significativi da apportare al campo della fisica dello stato solido.

"Siamo un gruppo nel dipartimento di chimica e abbiamo capito che questo materiale dovrebbe essere di interesse per gli elettroni altamente mobili basati su principi chimici, " ha detto Schoop. "Stavamo pensando a come gli atomi erano disposti in questi cristalli e come dovrebbero essere legati l'uno all'altro, e non basata su mezzi fisici, che spesso comprende l'energia degli elettroni basata su Hamiltoniane.

"Ma abbiamo adottato un approccio molto diverso, molto più legato al disegno di immagini, come fanno i chimici, relativi agli orbitali e cose del genere, " ha detto. "E abbiamo avuto successo con questo approccio. È un approccio così unico e diverso nel pensare a materiali entusiasmanti".