Chi potrebbe immaginare che decifrare il mistero di come gli atomi infinitamente piccoli si dispongano ai bordi dei cristalli nei materiali avanzati potrebbe essere semplice come uno, Due, tre?

La modellazione della struttura molecolare della superficie di un cristallo richiede normalmente computer potenti, ma gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno ideato un metodo molto più semplice, facile come contare con carta e matita.

La semplice strategia potrebbe aiutare a realizzare chip per computer ultraveloci basati su materiali diversi dal silicio.

"Siamo rimasti sorpresi di scoprire che era, infatti, così semplice, "dice Jason Kawasaki, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison. "Con alcune piccole modifiche, potevamo prevedere strutture quantitativamente molto accurate".

Erano così precisi che il suo nuovo approccio di previsione, pubblicato il 1 giugno 2018 sulla rivista Progressi scientifici , offre una procedura rapida e semplice per concentrarsi sui materiali promettenti per l'uso nell'elettronica avanzata come i computer quantistici che risolvono i problemi molto più rapidamente rispetto alle macchine convenzionali a base di silicio.

"Prima di poter utilizzare i materiali in modi interessanti per i dispositivi di prossima generazione, devi capire come cambia la struttura in superficie, "dice Kawasaki.

La previsione accurata delle strutture superficiali dei cristalli è un problema che ha tormentato a lungo gli scienziati. Gli atomi ai margini di un materiale tendono a riorganizzarsi, a volte perdendo le loro proprietà elettroniche o magnetiche.

Kawasaki e colleghi si sono concentrati su un tipo di materiali chiamati composti half-Heusler, che hanno diverse proprietà elettroniche e magnetiche sintonizzabili. Sfortunatamente, molti mezzi Heusler non si comportano come previsto quando vengono accoppiati con altri materiali o ridotti a una superficie piana.

"Quando hai piccoli riarrangiamenti di atomi, puoi avere grandi cambiamenti di proprietà, "dice Kawasaki.

Tutti i materiali sono costituiti da atomi, che hanno nuclei al centro circondati da nuvole in continuo movimento di minuscole particelle subatomiche chiamate elettroni. Gli atomi possono collegarsi, o legame, condividendo tra loro alcuni dei loro elettroni. I cristalli sono costituiti da molti atomi legati insieme in uno schema regolare e ripetitivo. Quel modello si rompe, però, su superfici o interfacce di cristallo, lasciando alcuni atomi senza partner ed elettroni non condivisi che penzolano dal materiale sfuso.

Dentro i rigidi interni di cristalli, simulazioni sofisticate possono determinare disposizioni atomiche, ma i computer hanno bisogno delle migliori ipotesi iniziali sulle configurazioni per creare previsioni strutturali.

Per molto tempo, le migliori ipotesi sulla superficie erano impossibili da ottenere perché la presenza di elettroni penzolanti fa salire alle stelle il numero di possibili conformazioni.

"Non esistevano gli strumenti giusti e il quadro teorico giusto, "dice Kawasaki.

Il giusto quadro teorico si è rivelato sorprendentemente semplice, regolato da regole di chimica di base. Tutto ciò che serve è contare tutti gli elettroni che ogni atomo porta in superficie, contare tutti gli elettroni previsti per essere in legami, e determinare se quei numeri corrispondono. Quando tutti gli elettroni sono presi in considerazione, è probabile che la struttura sia stabile. Altrimenti, è tornato al tavolo da disegno.

Il conteggio è così semplice che Kawasaki può letteralmente usare carta e matita per eseguire i calcoli.

È noto che le regole di conteggio funzionano bene per i materiali semplici. Però, gli scienziati presumevano che le nuvole di elettroni per gli atomi metallici che costituiscono i materiali semi-Heusler fossero troppo complicate per una contabilità di base.

Kawasaki e colleghi hanno dimostrato che questa nozione era sbagliata.

"Abbiamo scoperto che molte delle regole generali che sono state sviluppate per comprendere l'incollaggio in sistemi semplici possono essere mappate su questi materiali più complessi, "dice Kawasaki.

Utilizzando questo approccio, Kawasaki e colleghi hanno previsto e confermato la configurazione della superficie per un importante materiale semi-Heusler chiamato antimonio cobalto-titanio, che è un semiconduttore potenzialmente utile. I ricercatori hanno misurato la superficie del cristallo con tecniche di imaging avanzate, notando che le loro previsioni su carta e matita si allineavano perfettamente con le configurazioni atomiche reali.

I ricercatori hanno quindi applicato il loro metodo ad altri due composti half-Heusler, un semimetallo e un ferromagnete, e hanno in programma di identificare materiali più promettenti.

Kawasaki ha eseguito gli esperimenti di crescita e misurazione dei cristalli in collaborazione con Chris Palmstrøm, un membro della facoltà in ingegneria elettrica e informatica e scienza dei materiali presso l'Università della California, Santa Barbara.