C'è di più nel vetro di quanto sembri.

Bicchieri, che sono materiali disordinati senza ordine chimico a lungo raggio, hanno alcune proprietà misteriose che sono rimaste enigmatiche per diversi decenni.

Tra questi vi sono gli stati vibrazionali anomali che contribuiscono alla capacità termica a bassa temperatura. I primi ricercatori hanno stabilito che questi stati obbediscono alle statistiche di Bose-Einstein, e il nome rimase, quindi oggi questa caratteristica è nota come picco del bosone.

È generalmente accettato che questi stati vibrazionali derivino dal decadimento di quasiparticelle bosoniche simili a fononi nell'ambiente di vetro fortemente disordinato.

Il recente lavoro di collaborazione tra i partner FLEET l'Università di Wollongong, RMIT e ANSTO hanno rivelato la frequenza del picco bosonico nella densità di stati di allumina ultrasottile con spessori di 2 nanometri.

L'allumina amorfa è un vetro importante, utilizzato nell'industria elettronica come strato dielettrico, e all'interno del settore emergente dell'informatica quantistica, dove svolge il ruolo di barriera in una giunzione a barriera Josephson.

Eppure sorprendentemente, molte delle proprietà fondamentali dell'allumina rimangono sconosciute a causa del fatto che è termodinamicamente instabile su macroscala.

Il team UoW/RMIT ha superato questo problema concentrandosi su vetri su scala nanometrica, nel contesto di particelle nucleo-guscio di una sfera di alluminio avvolta in una sottile pelle del suo ossido di allumina nativo. Puoi immaginarlo come un uovo sodo, con un "tuorlo" solido di alluminio interno circondato da un sottile, guscio esterno in allumina.

Armati di questi nuovi (e leggermente esplosivi) campioni, hanno distribuito la spettroscopia di neutroni presso ANSTO, una delle organizzazioni partner della FLEET, per misurare le vibrazioni del reticolo nelle particelle del guscio centrale.

Studiando varie dimensioni delle particelle, il rapporto relativo del nucleo:guscio è stato variato per consentire al gruppo di separare i contributi dell'alluminio "tuorlo" e dal "guscio" di allumina.

Utilizzando le piccole particelle per migliorare il contrasto della superficie, il gruppo ha rivelato una caratteristica della frequenza THz per il picco del bosone che è in buon accordo con i calcoli teorici.

"Ero entusiasta di vedere la corrispondenza tra la dinamica molecolare eseguita dal gruppo di Cole e il nostro esperimento sui neutroni, " afferma l'autore principale David Cortie. "La nostra capacità di prevedere le proprietà vibrazionali ed elettroniche dei materiali ultrasottili e delle eterointerfacce sta migliorando di anno in anno".

Poiché le vibrazioni del reticolo sono una delle principali fonti di dissipazione nell'elettronica, le nuove misurazioni sono utili per identificare metodi per controllare il trasferimento di calore attraverso l'allumina ultrasottile. Questo ha anche alcune altre implicazioni sorprendentemente al di fuori dell'elettronica, perché la prossima generazione di veicoli spaziali per le spedizioni oltre Marte potrebbe utilizzare combustibili alluminio/allumina se il problema del trasferimento di calore può essere ridotto.

In uno sviluppo separato, il gruppo ha anche trovato prove evidenti dell'idrogeno sotto forma di H2O e gruppi idrossilici che sfrecciano sulla superficie dell'allumina, e ha riportato una procedura per rimuovere questi difetti superficiali nativi utilizzando una procedura di trattamento termico.

"Non abbiamo deciso di studiare l'idrogeno, " dice il co-autore principale Jared Cole, "Però, il fatto che l'abbiamo osservato così chiaramente può essere abbastanza fortuito. L'idrogeno è un'importante impurità superficiale nei circuiti superconduttori quantistici, ed esperimenti come questo sono un modo utile per imparare come si comporta, e come mitigarne gli effetti".

Normalmente l'idrogeno è quasi invisibile alle tecniche standard, ma i neutroni si disperdono dieci volte più fortemente dall'idrogeno rispetto ad altri elementi perché interagiscono con le forze nucleari piuttosto che con le interazioni elettromagnetiche. A temperature ultra basse, Il tunneling quantistico dell'idrogeno in sistemi a due livelli è un candidato per spiegare la fonte della decoerenza nei principali schemi di calcolo quantistico.

Lo studio, "Picco di bosone in strati di allumina ultrasottile studiato con la spettroscopia di neutroni, " è stato pubblicato in Ricerca sulla revisione fisica .