I ricercatori di Vanderbilt Sokrates Pantelides e Joshua Caldwell fanno parte di una collaborazione internazionale che ha dimostrato un nuovo modo di manipolare e misurare le sottili vibrazioni atomiche nei nanomateriali. Questa svolta potrebbe consentire di sviluppare funzionalità personalizzate per migliorare e costruire nuove tecnologie.

I fasci di elettroni in potenti microscopi hanno sondato materiali e nanostrutture con una risoluzione su scala atomica, hanno ripreso le disposizioni atomiche e, in combinazione con la teoria, hanno svelato proprietà elettroniche e magnetiche. I recenti sviluppi della microscopia consentono di ottenere segnali diretti dai fononi, in particolare modi vibrazionali, ad alta risoluzione sia nello spazio che nell'energia. I ricercatori possono ora misurare modalità vibrazionali distinte alle interfacce in strutture multistrato, difetti e altre disomogeneità.

"Il nostro team ha combinato tali misurazioni con sonde laser e indagini teoriche per ottenere un quadro completo della fisica sottostante che alla fine costituirà la base delle nuove tecnologie", ha affermato Pantelides.

In questa ricerca, pubblicata sulla rivista Nature il 26 gennaio, il team ha stratificato due diversi ossidi in una nanostruttura simile a Lego chiamata superreticolo. Le strutture sono state riprese su scala atomica da Eric Hoglund, il primo autore del documento e ricercatore presso l'Università della Virginia. Jordan A. Hachtel, un ex studente di Pantelides ed esperto di microscopista presso il Center for Nanophase Materials Sciences presso l'Oak Ridge National Laboratory, ha eseguito le misurazioni di precisione dei modi vibrazionali di questi complessi superlattici.

Caldwell, membro della facoltà di ingegneria del Cancelliere della famiglia Flowers e professore associato di ingegneria meccanica, e il suo studente Joseph Matson hanno eseguito spettroscopie a infrarossi complementari dei modi vibrazionali. Pantelides, Distinguished Professor of Physics and Engineering, William A. e Nancy F. McMinn Professore di fisica e professore di ingegneria elettrica, e i membri del suo gruppo Andrew O'Hara e De-Liang Bao, rispettivamente assistente professore di ricerca e studioso post-dottorato, ha eseguito i calcoli teorici che hanno fornito collegamenti tra diversi esperimenti per costruire un quadro completo. La ricerca combinata ha stabilito che quando lo spessore degli strati nei superreticoli si riduce, le vibrazioni atomiche sono inizialmente dominate da quelle dei due materiali sfusi, ma gradualmente si evolvono per essere dominate dalle interfacce atomiche, che definiscono una nuova struttura cristallina.

Le precedenti combinazioni di calcoli teorici che utilizzano la meccanica quantistica con esperimenti fisici hanno permesso a fisici e ingegneri di capire come si comportano i materiali. Tali indagini hanno portato alla creazione e allo sviluppo dei dispositivi digitali che oggi diamo per scontati. I microscopi elettronici hanno svolto un ruolo importante in queste ricerche, ma fino a poco tempo fa non avevano una risoluzione sufficiente per visualizzare le vibrazioni atomiche.

"Proprietà emergenti risultano su scala nanometrica, specialmente quando mettiamo insieme i materiali. Da queste combinazioni otteniamo nuovi comportamenti che non ci aspettavamo", ha detto Pantelides. "Ogni volta che c'è una struttura con nuove proprietà, la mente ingegneristica va direttamente a pensare a quali nuovi materiali con nuove funzionalità e nuovi dispositivi possono essere realizzati. In poche parole, è così che viene creata la tecnologia".

Caldwell e Matson hanno studiato le proprietà infrarosse dei superreticoli su scala atomica. "Le proprietà infrarosse dei cristalli polari sono guidate principalmente dai fononi ottici dei materiali. Pertanto, questo lavoro si basa su un concetto che chiamiamo ibrido cristallino, in cui le combinazioni di materiali atomicamente sottili in superreticoli possono essere utilizzate per indurre proprietà emergenti, " ha detto Caldwell. Questo sforzo è stato notevolmente migliorato dimostrando che la scala di queste misurazioni può essere ridotta per misurare il comportamento più preciso catturato fino ad oggi.

Questo lavoro ha il potenziale per migliorare le conoscenze attraverso la microscopia, la scienza ottica, la fisica e l'ingegneria. "Abbiamo raggiunto un cambiamento radicale in questa tecnologia. Migliorando il modo in cui misuriamo, siamo in grado di lavorare e manipolare meglio questi nanomateriali. Siamo molto più fiduciosi di poter progettare strutture con proprietà personalizzate", ha affermato Pantelides.

Pantelides e Caldwell continueranno a collaborare con l'Oak Ridge National Laboratory per perseguire ulteriori progressi nel campo, in particolare nell'espansione a diverse strutture cristalline e altri sistemi materiali di interesse come i semiconduttori a base di nitruro.

Hanno partecipato a questa ricerca ricercatori dell'Università della Virginia, del Sandia National Laboratory, dell'Università della California Berkeley, della Purdue University e della Humboldt University e del Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Germania. + Esplora ulteriormente

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