Ci è voluto un progetto di costruzione su scala nanometrica alla pari con quelli molto più grandi che costellano le autostrade del Nebraska, ma il fisico Xia Hong sta ora dirigendo il traffico casuale di elettroni abbastanza bene da analizzarlo e, lungo la strada, utilizzarlo nella tecnologia di nuova generazione.

Hong e i suoi colleghi dell'Università del Nebraska-Lincoln hanno dedicato gli ultimi anni allo studio di ciò che accade, e cosa si può ottenere, quando si depositano materiali nanoscopicamente sottili uno sopra l'altro. È stata impegnata a ricoprire strati atomici di semiconduttori, che conducono l'elettricità meglio degli isolanti ma non così bene come i metalli, con materiali ferroelettrici, il cui allineamento di cariche positive e negative, o polarizzazione, possono essere commutati istantaneamente applicando loro un campo elettrico.

Utilizzando l'approccio, Hong ha già indotto ogni sorta di interessante, tecnologicamente accattivante e, forse meglio di tutti, fenomeni riconfigurabili nei semiconduttori sottostanti. In un nuovo studio, il suo team ha stratificato un polimero ferroelettrico su un semiconduttore noto come disolfuro di renio. Ricerche precedenti avevano suggerito che il disolfuro di renio vanta una proprietà pregiata:la capacità di trasportare elettroni, o condurre elettricità, molto più facilmente in alcune direzioni che in altre. quella qualità, nota come anisotropia, offre agli ingegneri elettrici un controllo molto maggiore e necessario sul flusso di corrente elettrica.

Ma in realtà misurando, indagare e manipolare il fenomeno si era rivelato difficile, in parte a causa del fatto che gli elettroni che attraversano anche la fetta più sottile di disolfuro di renio sono soggetti a spostarsi lateralmente o a formare l'osso a T l'uno con l'altro.

La soluzione di Hong? Blocca la polarizzazione del polimero sovrastante e trasforma efficacemente il semiconduttore sottostante in un isolante che resiste al flusso di elettricità. Quindi, capovolgere la polarizzazione del polimero, ma solo in un nastro largo 300 nanometri che ha diviso in due il materiale ferroelettrico sovrastante. Il risultato:un sottile, nanofilo conduttivo nello strato altrimenti isolante di disolfuro di renio sottostante. O, come l'ha descritto Hong, un'autostrada solitaria per gli elettroni in mezzo a un deserto invalicabile.

Con il traffico di elettroni limitato solo a quel percorso, Hong e i suoi colleghi Husker erano pronti a studiarne il flusso con livelli di precisione senza precedenti. Quando lo fecero, hanno scoperto che la conduttività del disolfuro di renio dipende, in misura straordinaria, sull'orientamento del percorso stesso.

Se quel percorso è vicino al parallelo con un asse definito dalla disposizione degli atomi nel materiale, conduce l'elettricità quasi quanto un metallo. Se il percorso è invece perpendicolare a quell'asse, anche se, la conducibilità scende precipitosamente. Infatti, la differenza di conduttività dipendente dall'angolo, la sua anisotropia, è di circa 5, 000 volte più grande di qualsiasi riportato in 2D, configurazione a controllo ferroelettrico fino ad oggi.

"Quindi abbiamo usato questa tecnica molto speciale per confermare, per la prima volta, che l'anisotropia è enorme, " disse Hong, professore associato di fisica e astronomia al Nebraska.

Sorprendentemente, Hong ha detto, l'anisotropia era più grande quando la si misurava in disolfuro di renio che aveva uno spessore di quattro strati atomici. È stato anche nella versione a quattro strati che le misurazioni della sua squadra si sono allineate più strettamente con le previsioni teoriche fornite da Evgeny Tsymbal, Professore di fisica e astronomia alla George Holmes University.

Parte del motivo? L'aggiunta di alcuni livelli ha sottratto una certa complessità, ha detto Hong. Diversi fattori possono influenzare l'anisotropia nel disolfuro di renio a strato singolo. Ma l'estrema differenza di conducibilità nella versione a quattro strati può essere prevista solo dalla sua cosiddetta struttura a bande:quanti elettroni possono popolare un livello di energia che consente loro di iniziare a migrare e, facendo così, condurre corrente elettrica. Quella banda di energia si appiattisce in determinate direzioni man mano che gli strati vengono aggiunti, i ricercatori hanno concluso, producendo più ingorghi tra gli elettroni e aumentando le differenze direzionali nella conduttività.

"La maggior parte delle persone tenderebbe a concentrarsi su un monostrato, "Hong ha detto. "Ma abbiamo trovato, in realtà, che è il materiale a pochi strati che è più interessante."

Hong ha detto che la conoscenza, e la grandezza dell'effetto stesso, potrebbe rendere il disolfuro di renio particolarmente utile per la fabbricazione di lenti che focalizzano gli elettroni nello stesso modo in cui le lenti ottiche fanno raggi di luce. Le lenti elettroniche aiutano a produrre immagini straordinariamente ad alta risoluzione di oggetti nanoscopici che non possono essere risolti con la luce.

"Questo materiale ha, intrinsecamente, la capacità di far muovere efficacemente gli elettroni solo in una direzione, "Hong ha detto. "Quindi possiamo usare questo come elemento costitutivo per quelle lenti".

La sua anisotropia, combinato con altre proprietà inerenti alla composizione atomica del disolfuro di renio, potrebbe anche posizionare il materiale come un fruttuoso terreno di gioco per generare e controllare una gamma di fenomeni molto più ampia di quanto la maggior parte dei materiali possa affermare, ha detto Hong.

"Penso che questo sia un materiale, " lei disse, "in cui potresti ospitare magnetismo o superconduttività, Per esempio.

"Pensiamo che questo sia un punto di partenza. Quindi vogliamo usarlo come materiale di accoglienza e, probabilmente con qualche manipolazione, impara ad attivare e disattivare questi fenomeni."

I ricercatori hanno riportato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .