Le scoperte tecnologiche rivoluzionarie dei prossimi decenni, quelli che cambieranno la vita quotidiana, possono provenire da nuovi materiali così piccoli da far sembrare i nanomateriali come colossi bitorzoluti.

Questi nuovi materiali saranno progettati e perfezionati su scala picometrica, che è mille volte più piccolo di un nanometro e un milione di volte più piccolo di un micrometro (che a sua volta è più piccolo della larghezza di un capello umano). Per fare questo lavoro, gli scienziati avranno bisogno di formazione in una serie di nuove apparecchiature in grado di misurare e guidare tali materiali squisitamente controllati. Il lavoro prevede la progettazione teorica dei materiali, fabbricarli, e caratterizzando le loro proprietà.

All'università di Yale, hanno un nome per esso; la chiamano "picoscienza".

"I ricercatori di Yale stanno inventando nuovi materiali piccoli, veloce, e può eseguire in una moltitudine di modi, come imitare i neuroni nel cervello, informatica con magneti, e calcolando con la meccanica quantistica, " ha detto Frederick Walker, un ricercatore senior nel laboratorio di Charles Ahn, il professore di fisica applicata John C. Malone, Ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e fisica, e presidente del Dipartimento di Fisica Applicata.

Ahn è autore senior di un nuovo studio che muove la picoscienza in un'altra direzione:prendere elementi dalla tavola periodica e armeggiare con essi a livello subatomico per scoprire nuovi materiali.

Sangjae Lee, uno studente laureato nel laboratorio di Ahn e primo autore dello studio, progettato e cresciuto il nuovo materiale, che è un artificiale, cristallo stratificato composto dagli elementi lantanio, titanio, cobalto, e ossigeno.

I ricercatori hanno stratificato gli elementi un piano atomico alla volta, in modo che fogli di ossido di titanio dello spessore di un atomo trasferiscano un elettrone a fogli di ossido di cobalto dello spessore di un atomo. Ciò ha cambiato la configurazione elettronica e le proprietà magnetiche del foglio di ossido di cobalto.

"Siamo stati in grado di manipolare gli atomi costituenti con una precisione molto più piccola dell'atomo stesso, " ha detto Lee. "Questi tipi di nuovi cristalli possono costituire la base per lo sviluppo di nuovi materiali magnetici, dove un delicato equilibrio tra magnetismo e conduzione elettronica su scale così piccole può essere manipolato in un romanzo, dispositivi simili a transistor che presentano vantaggi in termini di prestazioni rispetto ai transistor di oggi."

Lee si è formato su una serie di strumenti che vengono sviluppati presso la National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory di New York. Un sincrotrone è una macchina delle dimensioni di un campo da calcio che accelera gli elettroni quasi alla velocità della luce. Gli elettroni generano fasci di raggi X estremamente luminosi che vengono utilizzati dai ricercatori negli esperimenti.

Il nuovo studio appare sulla rivista Lettere di revisione fisica e presenta coautori di Yale, Brookhaven, l'Istituto Flatiron, e Laboratorio Nazionale Argonne. I coautori di Yale, oltre ad Ahn e Lee, sono Sohrab Ismail-Beigi, Alex Taekyung Lee, Camminatore, Ankit Disa, e Yichen Jia.

Oltre a progettare e coltivare i nuovi materiali, Sangjae Lee li ha caratterizzati e ha analizzato i risultati. Dal lato teorico, I colleghi di Yale Alex Taekyung Lee e Alexandru Georgescu, che ora è al Centro di fisica quantistica computazionale del Flatiron Institute, ha utilizzato calcoli di meccanica quantistica per calcolare la struttura dei materiali e il suo effetto sulla loro configurazione elettronica. Questo lavoro ha permesso al team di descrivere lo stato magnetico dei materiali.

Yale ha individuato nello sviluppo dei materiali quantistici un'area di ricerca prioritaria, prevedendo il loro utilizzo in nuovi sistemi computazionali che supereranno di gran lunga i computer di oggi. L'università ha anche notato l'importanza delle collaborazioni con Brookhaven, che dispone di alcune delle strutture di caratterizzazione dei materiali più avanzate negli Stati Uniti, compreso il più recente sincrotrone della nazione.

"L'invenzione di nuovi materiali è stata al centro dei progressi tecnologici che hanno trasformato le nostre vite, " ha detto il co-autore Ismail-Beigi, professore di fisica applicata a Yale. "I nuovi materiali elettronici hanno guidato le capacità sempre crescenti dei telefoni cellulari, computer, compresse, orologi intelligenti, e dispositivi medici”.

Il coautore Walker ha sottolineato l'importanza della comunicazione tra sperimentalisti e teorici nella conduzione della ricerca sulla picoscienza:"Un ciclo di feedback sinergico tra progettazione teorica e fabbricazione sperimentale è fondamentale per scoprire con successo nuove proprietà dei materiali, " ha detto. "Questo ciclo di feedback è diventato una firma del programma di scoperta dei materiali della National Science Foundation ed è stato originariamente sviluppato a Yale".