Alcuni ossidi metallici, come i nichelati, avere una resistività regolabile, che li rende un materiale interessante per l'elettronica adattabile e il calcolo cognitivo. Questi materiali possono cambiare la loro natura da metallica a isolante. Come avviene esattamente questa transizione metallo-isolante è un argomento di grande interesse nella fisica della materia condensata. Però, anche il comportamento metallico dei nichelati sembra insolito. Scienziati dell'Università di Groninga, insieme ai colleghi spagnoli, ora hanno scoperto che non è così complesso come si pensava in precedenza. I risultati sono stati pubblicati l'11 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

In un metallo, gli elettroni possono muoversi liberamente, mentre negli isolanti, sono fortemente localizzati intorno ai nuclei atomici. Quando un metallo viene riscaldato, le vibrazioni degli ioni (chiamate fononi) disperdono gli elettroni in movimento e aumentano la resistività. In contrasto, il riscaldamento può generare conduttività in alcuni isolanti, quando gli elettroni ricevono energia sufficiente per essere rilasciati e attraversano la banda proibita energetica che altrimenti impedisce loro di muoversi.

Spiegazioni esotiche

"In alcuni ossidi, come i nichelati, può verificarsi una transizione da isolante a metallo, ma non è chiaro come ciò avvenga, "dice Beatriz Noheda, professore di nanomateriali funzionali e direttore del Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) presso l'Università di Groningen. Lei e il suo dottorato di ricerca lo studente Qikai Guo è interessato ai nickelati perché è possibile regolarne la resistività. Potrebbero essere utilizzati in dispositivi che emulano il modo in cui funzionano le sinapsi nel nostro cervello.

"Prima di poterlo fare, dovremmo capire quale sia la natura dello stato più semplice, lo stato metallico, è. Questo significa capire come gli elettroni si muovono nel materiale quando viene applicato loro un campo elettrico, " spiega Noheda. Una variazione lineare della resistività (un esponente di 1 nella curva che rappresenta la resistività in funzione della temperatura) può essere spiegata da un semplice modello in cui gli elettroni sono ostacolati dalla vibrazione degli ioni. "Tuttavia, per un esponente diverso da 1, sono state suggerite spiegazioni più esotiche, basato sulla presenza di fluttuazioni negli spin degli elettroni di nichel e interazioni elettrone-elettrone che si verificano quando il sistema è vicino a un punto critico quantistico".

Sforzo

Però, in film sottili di nichelato di neodimio (NdNiO ₃ ), Noheda e il suo team hanno osservato che l'esponente era 1 in alcuni campioni, mentre in altri campioni dello stesso materiale, non era. Ciò suggerisce che l'esponente non è una proprietà intrinseca. Noheda:"Questo ci ha portato a esaminare sistematicamente campioni cresciuti su substrati diversi". I risultati hanno mostrato che nei film perfetti, l'esponente è 1, il che significa che la resistività è causata dai fononi, come nei metalli normali. Però, quando il substrato utilizzato induce deformazione nel film sottile, l'esponente cambia.

Il ceppo porta a vacanze di ossigeno nei cristalli e cambia le forze tra gli ioni e, perciò, le energie elettroniche. Quella, a sua volta, cambia la resistività dei materiali. "Ciò che abbiamo scoperto è che possiamo controllare il numero di posti vacanti e regolare continuamente l'esponente di resistività a piacimento, che è una manopola di sintonia che non sapevamo di avere. Così, la comprensione dello stato metallico in questi nichelati potrebbe non richiedere interazioni esotiche elettrone-elettrone, "Conclude Noheda.

Dispositivi sinaptici

Imparare a controllare lo stato del metallo e la transizione allo stato isolante aiuterà gli scienziati a progettare l'elettronica basata sui nichelati, che può emulare il modo in cui funzionano i neuroni. Questo è l'obiettivo finale di Noheda e del suo team. "Ora sappiamo che questi nichelati sono più simili ai metalli normali di quanto pensassimo in precedenza. Ciò significa che possono essere dei buoni conduttori se ci assicuriamo che non ci siano vacanze ioniche nel cristallo. In questo modo, il passaggio alla fase isolante comporta maggiori variazioni di resistenza, portando a dispositivi sinaptici con una migliore plasticità."

In questi esperimenti, la variazione di resistività in questi nichelati è stata indotta da un aumento della temperatura. "Questo ovviamente non è l'ideale quando si desidera realizzare un dispositivo. Il nostro prossimo passo è progettare il materiale in modo tale da poter regolare la resistività utilizzando un campo elettrico, "Conclude Noheda.