Un "irritante sottoprodotto" della ricerca sui superconduttori di Ames Laboratory è in realtà un materiale isolante molto ricercato e difficile da ottenere, hBN, per cui gli scienziati che studiano il grafene e altri materiali 2D chiedono a gran voce. Credito:Laboratorio Ames
Durante la realizzazione di campioni di materiali per perseguire i propri obiettivi di ricerca, gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto che un sottoprodotto indesiderato dei loro esperimenti era una sostanza di altissima qualità e difficile da ottenere, ricercata dagli scienziati che ricercavano materiali stratificati.
Con un nome di progetto come "Complex States, Fenomeni emergenti e superconduttività in composti intermetallici e simili al metallo" si intuisce immediatamente che il team di scienziati dietro quel titolo potrebbe avere un talento per lo strano, fuori dal comune, e mai visto prima. Il gruppo di Ames Lab studia i composti metallici e semimetallici che hanno proprietà magnetiche, superconduttore, o altre proprietà progettate per sondare i misteri fondamentali di come possono formarsi stati correlati o emergenti e, anche, potrebbe essere utile in future applicazioni tecnologiche, come la creazione di energia, trasmissione e archiviazione, nonché calcolo quantistico. Ma prima che possano indagare sullo strano, fuori dal comune, e mai visto prima, devono farlo, quindi il team ha decenni di esperienza anche nella creazione di quei materiali.
Un focus della ricerca del gruppo è MgB 2 , un materiale superconduttore difficile da produrre. Così difficile, infatti, che lo strumento utilizzato per realizzarlo si chiama "The Beast". In agguato nel seminterrato della Spedding Hall del Laboratorio Ames, la Bestia è una schizzinosa, potente, e un gigantesco forno ad alta pressione che surriscalda e super-schiaccia piccole quantità di ingredienti difficili da combinare insieme in nuovi composti.
Mingyu Xu, uno studente laureato, ha studiato MgB 2 , ed è interessato a crescere puro e drogato, campioni di cristallo singolo del materiale al fine di comprendere meglio le sue proprietà superconduttive. Lui e Raquel Ribeiro, Professore Associato nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Iowa State University, lavorare insieme per caricare cubi di ceramica appositamente progettati (fondamentalmente cenere vulcanica) con i minuscoli crogioli (tazze) che verranno riscaldati a temperature fino a 2000 C°, e soggetto a pressioni 30, 000 volte superiore alla normale pressione atmosferica.
"Dobbiamo essere molto precisi, molto particolari su come prepariamo e carichiamo i campioni, " disse Ribeiro. "Se commettiamo un errore, se qualche pezzo è fuori allineamento, si rompe, " lei disse, spiegando il processo spietato di fare il materiale. Così esigente è la Bestia, Xu e Ribeiro tengono traccia dei loro errori, come un modo per documentare come migliorare i loro metodi di preparazione e il tasso di successo.
Quando ci riescono, Il focus di Xu è sul MgB 2 , letteralmente. Le sue immagini al microscopio sono focalizzate nettamente sullo scintillio di cristalli color oro pallido che confermano che la Bestia ha preparato un successo, campione di alta qualità. Ma le immagini catturano anche qualcos'altro:il ricercato MgB 2 è circondato da un nido di traslucidi, materiale friabile che è un sottoprodotto del processo, chiamato nitruro di boro esagonale, o HBN.
"Per anni, abbiamo cercato di minimizzare questa irritante seconda fase, " ha detto Paul Canfield, Fisico del laboratorio di Ames, Distinguished Professor e Robert Allen Wright Professor di Fisica e Astronomia presso la Iowa State University, e ricercatore principale del progetto. "La nostra ricerca era per MgB 2 . Non volevamo quell'altra roba, e abbiamo cercato di ottimizzare il nostro processo per ridurne la quantità."
Nelle sue collaborazioni con fisici di altre istituzioni, però, ha appreso che la sua "seconda fase irritante" era in realtà un materiale isolante molto ricercato e difficile da ottenere per gli scienziati che ricercavano il grafene, il semimetallo a strati 2D scoperto per la prima volta nel 2010, ed è studiato per le sue affascinanti e insolite proprietà di trasporto degli elettroni.
"Immagina di aver scoperto il panino, ed è facile ottenere il prosciutto, ma il pane è difficile da trovare. Il pane bianco è noioso di per sé, ma se ce l'hai puoi fare il tuo panino, " ha detto Canfield, "hBN è il pane per fare quel panino." Strati di hBN isolante separano il grafene e altri nuovi materiali elettronici e magnetici per creare nuove eterostrutture; sandwich di nuova fisica con proprietà che alla fine potrebbero sostituire i transistor.
Ad un tratto, Il gruppo di Canfield si è trovato panettieri hBN agli sforzi di fabbricazione di sandwich 2D di altri scienziati:un trambusto scientifico, se vorrai. Xu e Ribeiro hanno adattato la loro sistematica operando la Bestia per ottimizzare sia la produzione di MgB 2 , e il suo sottoprodotto desiderabile. Facendo così, Ames è diventata una delle poche fonti al mondo di hBN, svolgendo un ruolo chiave in molteplici pubblicazioni di alto profilo. Ames Laboratory ha fornito hBN al MIT, Rutger, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, e altre istituzioni. La ricerca risultante è stata presentata in Comunicazioni sulla natura , Natura , e Scienza .
"È davvero gratificante avere un Laboratorio Nazionale del Dipartimento dell'Energia, non solo perseguendo i propri obiettivi di ricerca, ma anche svolgere un ruolo essenziale nel consentire scoperte fondamentali della fisica in altri laboratori e in altre istituzioni, " ha detto Canfield.
