Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno effettuato le prime osservazioni dirette di un confine unidimensionale che separa due diversi, materiali sottili come un atomo, consentendo studi di fenomeni a lungo teorizzati a queste interfacce.

I teorici hanno previsto l'esistenza di proprietà intriganti ai confini unidimensionali (1-D) tra due componenti cristallini, ma la verifica sperimentale è sfuggita ai ricercatori perché le interfacce 1-D atomicamente precise sono difficili da costruire.

"Mentre molti studi teorici su tali interfacce 1-D prevedono comportamenti sorprendenti, nel nostro lavoro abbiamo fornito la prima validazione sperimentale di quelle proprietà di interfaccia, ", ha detto An-Ping Li di ORNL.

Il nuovo Comunicazioni sulla natura lo studio si basa sul lavoro degli scienziati dell'ORNL e dell'Università del Tennessee pubblicato su Science all'inizio di quest'anno che ha introdotto un metodo per far crescere diversi materiali bidimensionali - grafene e nitruro di boro - in un singolo strato dello spessore di un solo atomo.

La tecnica di crescita dei materiali del team ha sbloccato la capacità di studiare il confine 1-D e le sue proprietà elettroniche in risoluzione atomica. Utilizzando la microscopia a effetto tunnel, spettroscopia e calcoli densità-funzionali, i ricercatori hanno prima ottenuto un quadro completo delle distribuzioni spaziali ed energetiche degli stati dell'interfaccia 1-D.

"Nei sistemi tridimensionali (3-D), l'interfaccia è incorporata, quindi non puoi ottenere una vista nello spazio reale dell'interfaccia completa:puoi solo guardare una proiezione di quel piano, " disse Jewook Park, Ricercatore post-dottorato ORNL e autore principale del lavoro. "Nel nostro caso, l'interfaccia 1-D è completamente accessibile allo studio dello spazio reale."

"La combinazione della microscopia a effetto tunnel e dei calcoli della teoria dei primi principi ci consente di distinguere la natura chimica del confine e valutare gli effetti dell'ibridazione orbitale alla giunzione, " ha detto Mina Yoon di ORNL, un teorico della squadra.

Le osservazioni dei ricercatori hanno rivelato un campo elettrico altamente confinato all'interfaccia e hanno fornito l'opportunità di indagare su un fenomeno intrigante noto come "catastrofe polare, " che si verifica nelle interfacce di ossido 3-D. Questo effetto può causare la riorganizzazione atomica ed elettronica all'interfaccia per compensare il campo elettrostatico risultante dalle diverse polarità dei materiali.

"Questa è la prima volta che siamo stati in grado di studiare l'effetto di discontinuità polare in un confine 1-D, " disse Li.

Sebbene i ricercatori si siano concentrati sull'acquisizione di una comprensione fondamentale del sistema, notano che il loro studio potrebbe culminare in applicazioni che sfruttano l'interfaccia 1-D.

"Ad esempio, la catena di elettroni 1-D potrebbe essere sfruttata per far passare una corrente lungo il confine, " Ha detto Li. "Potrebbe essere utile per l'elettronica, soprattutto per dispositivi ultrasottili o flessibili."

Il team prevede di continuare a esaminare diversi aspetti del confine, comprese le sue proprietà magnetiche e l'effetto del suo substrato di supporto.

Lo studio è pubblicato come "Stati limite unidimensionali risolti spazialmente in eterostrutture planari di nitruro di boro-grafene esagonale".