Rappresentazione artistica dello strato conduttivo che appare all'interfaccia tra un cristallo di SrTiO3 e uno strato di LaAlO3. Gli atomi di Sr sono in rosso, quelli di Ti in blu, quelli di O in verde, quelli di La in giallo e quelli di Al in viola. © M. Lopes, Università di Ginevra.
Come può apparire un'interfaccia elettricamente conduttiva alla giunzione tra due materiali che non conducono elettricità? Poiché un tale fenomeno è stato scoperto nel 2004, per rispondere a questa domanda sono state avanzate ipotesi contrastanti, ciascuno con i suoi ferventi sostenitori e critici. Un team internazionale che riunisce ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI), l'Università di Ginevra (UNIGE) e il Dipartimento di Fisica Teorica dei Materiali dell'Università di Liegi hanno chiarito il dibattito.
Questi ricercatori hanno dimostrato che la conducibilità deriva da un effetto intrinseco alla giunzione tra i due materiali, confutando l'ipotesi alternativa di un'origine estrinseca connessa alla presenza di imperfezioni introdotte durante la giunzione in corso di sviluppo. L'interfaccia tra questi due composti possiede affascinanti proprietà elettriche e magnetiche che lasciano intravedere un certo numero di applicazioni nei settori dell'elettronica e dell'informatica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
Nel 2004 i ricercatori hanno scoperto uno strato conduttivo all'interfaccia tra due ossidi isolanti, SrTiO 3 e LaAlO 3 . Dopo diversi anni di intense ricerche, le origini della conduttività rimangono ancora controverse.
Una scuola di pensiero collega questa conduzione a proprietà intrinseche alla giunzione. In termini semplicistici, la diversa natura chimica degli atomi che compongono SrTiO 3 e LaAlO 3 si pensa sia responsabile di uno squilibrio nella carica elettrica su una parte o l'altra dell'interfaccia. Per compensare questo squilibrio la teoria prevede che per uno spessore critico di LaAlO 3 , il sistema elettronico si riorganizzerà trasferendo elettroni all'interfaccia, rendendolo così conduttivo.
Una vista atomica dell'interfaccia tra un cristallo di SrTiO3 e uno strato di LaAlO3. Gli atomi di Sr sono in rosso, quelli di Ti in blu, quelli di O in verde, quelli di La in giallo e quelli di Al in viola. © M. Lopes, Università di Ginevra.
Questa spiegazione, che va sotto il nome di "modello della catastrofe polare", si oppone all'idea che le imperfezioni, inerente alla crescita dello strato di LaAlO 3 , è alla radice di un drogaggio chimico della regione dell'interfaccia e genera lo strato conduttivo.
L'esperimento appropriato
Per chiarire questa controversia, il team di ricercatori ha ideato un esperimento che consente di testare una previsione fondamentale di "catastrofe polare" al fine di convalidare questa spiegazione.
L'esperimento consisteva nel sostituire uno dei materiali, LaAlO 3 , dalla sua lega con l'altro composto, modificando così lo squilibrio di carica all'interfaccia. All'Università di Liegi, Denis Fontaine e Philippe Ghosez hanno previsto teoricamente l'effetto di questo cambiamento sullo spessore critico. I gruppi PSI e UNIGE hanno prodotto campioni e li hanno misurati. Questi esperimenti hanno mostrato che la relazione tra lo spessore critico e la composizione della lega corrispondeva perfettamente alla previsione teorica, dimostrando le origini intrinseche del fenomeno.
Numerose applicazioni in vista
Questa interfaccia conduttiva potrebbe svolgere un ruolo importante in future applicazioni come quelle dei transistor o dei sensori. Il fatto che le origini della conducibilità siano intrinseche al sistema è un vantaggio per lo sviluppo dell'elettronica a base di ossido.
