Come increspature in uno stagno, gli elettroni viaggiano come onde attraverso i materiali, e quando si scontrano e interagiscono, possono dare origine a modelli nuovi e interessanti.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno visto emergere un nuovo tipo di modello d'onda in un sottile film di ossido di metallo noto come titania quando la sua forma è confinata. Confinamento, l'atto di limitare i materiali all'interno di un confine, può alterare le proprietà di un materiale e il movimento delle molecole attraverso di esso.

Nel caso del titanio, ha fatto sì che gli elettroni interferissero tra loro in uno schema unico, che ha aumentato la conduttività dell'ossido, o il grado in cui conduce l'elettricità. Tutto questo è successo alla mesoscala, una scala in cui gli scienziati possono vedere sia gli effetti quantistici che il movimento di elettroni e molecole.

Questo lavoro offre agli scienziati maggiori informazioni su come gli atomi, gli elettroni e le altre particelle si comportano a livello quantistico. Tali informazioni potrebbero aiutare nella progettazione di nuovi materiali in grado di elaborare le informazioni ed essere utili in altre applicazioni elettroniche.

"Ciò che ha davvero contraddistinto questo lavoro è stata la dimensione della scala che abbiamo studiato, " ha detto l'autore principale Frank Barrows, uno studente laureato della Northwestern University presso la Divisione di Scienze dei Materiali (MSD) di Argonne. "Indagare su questa scala di lunghezza unica ci ha permesso di vedere fenomeni davvero interessanti che indicano che c'è un'interferenza che si verifica a livello quantistico, e allo stesso tempo acquisire nuove informazioni su come interagiscono elettroni e ioni".

Alterare la geometria per modificare le proprietà del materiale

Normalmente, quando una corrente elettrica viene applicata a un ossido come il titanio, gli elettroni fluiscono attraverso il materiale in una semplice forma d'onda. Allo stesso tempo, anche gli ioni, o particelle cariche, si muovono. Questi processi danno origine alle proprietà di trasporto elettronico del materiale, come conducibilità e resistenza, che vengono sfruttati nella progettazione dell'elettronica di nuova generazione.

"Quello che abbiamo fatto nel nostro studio è stato cercare di capire come possiamo cambiare le proprietà dei materiali limitando la geometria o la forma del film, " ha detto il co-autore Charudatta Phatak, uno scienziato dei materiali e leader del gruppo nel MSD di Argonne.

Iniziare, i ricercatori hanno creato film di titania, quindi progettato un modello su di loro. Nel modello c'erano fori che erano a soli 10-20 nanometri di distanza l'uno dall'altro. L'aggiunta del motivo geometrico ha alterato il movimento degli elettroni allo stesso modo in cui il lancio di rocce in uno specchio d'acqua altera le onde che lo attraversano. Nel caso del titanio, il modello ha fatto sì che le onde degli elettroni interferissero l'una con l'altra, che ha portato l'ossido a condurre più elettricità.

"Il modello di interferenza sostanzialmente teneva in posizione l'ossigeno o gli ioni che normalmente si muoverebbero in materiali come il titanio. E abbiamo scoperto che tenerli in posizione era importante o necessario per ottenere un'interferenza costruttiva di quelle onde, "Ha detto Phatak.

I ricercatori hanno studiato la conduttività e altre proprietà utilizzando due tecniche:l'olografia elettronica e la spettroscopia a perdita di energia degli elettroni. A quello scopo, hanno sfruttato le risorse del Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per fabbricare i loro campioni ed effettuare alcune misurazioni.

"Non saremmo stati in grado di vedere questo modello unico di interferenza se non fossimo stati in grado di produrre abbastanza di questi buchi in uno schema, che è molto difficile da fare, " ha detto Barrows. "La competenza e le risorse presso il CNM e la Divisione Scienza dei Materiali di Argonne si sono rivelate fondamentali per aiutarci a osservare questo comportamento emergente".

Applicazioni future

Nel futuro, se i ricercatori possono capire meglio cosa ha dato origine all'aumento della conduttività, potrebbero potenzialmente trovare modi per controllare le proprietà elettriche o ottiche e sfruttare queste informazioni per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Le intuizioni potrebbero anche essere utilizzate per ampliare la nostra comprensione dei materiali che possono cambiare la resistenza. La resistenza misura quanto un materiale resiste al flusso di elettroni in una corrente elettrica.

"I materiali a commutazione di resistenza sono interessanti perché possono essere vettori di informazioni:uno stato di resistenza può essere 0 e l'altro può essere 1, " ha detto Phatak. "Quello che abbiamo fatto può darci un po' più di informazioni su come possiamo controllare queste proprietà usando i confini geometrici".