Karcsúsító étrend a fém-oxidokhoz - a vékony anyagrétegek tulajdonságai a mennyiségétől függenek
A vékony anyagrétegek tulajdonságai az egymásra rakott atomrétegek számától függenek
Például az elektronikai alkatrészek anyagának keresése során a fizikusok a jövőben új nyomvonalat követhetnek: Nemzetközi kutatócsoport először figyelte meg pontosan, hogyan változnak az anyag - pontosabban a fém-oxid-lantán-nikkel-oxid - fizikai tulajdonságai, amikor háromdimenziós formában kétdimenziósak feldolgozásra kerül.
Valójában egy két anyagrétegből készült réteg teljesen más elektronikus és mágneses hatást mutat, mint egy négy rétegből álló réteg, amikor nagyon alacsony hőmérsékletre hűl. A "Science" kutatói szerint az a tény, hogy a fizikai jellemzők a dimenzión keresztül is szabályozhatók, új lehetőségeket nyit meg olyan anyagok azonosítására, amelyekből a jövő chipjei előállíthatók.
A félvezetőipar eléri a határait
A félvezetőipar fokozatosan eléri a határait. Miközben továbbra is csökkenti az elektronikus alkatrészeket, a vezetősávok és a tranzisztorok valószínűleg hamarosan atomméretre zsugorodnak. Ilyen apró szerkezetek a szokásos módszerekkel alig állíthatók elő ellenőrzött módon. Használatukkor az elektromos ellenállásuk annyi hőt generál, hogy gyorsan elveszítik alakjukat. A félvezető elektronika korszaka tehát belátható időn belül véget érhet.
A fém-oxidok akkor alternatívát jelenthetnek. Mivel közöttük nem csak olyan anyagok találhatók, amelyeket mágneses tulajdonságaik miatt tárolóként ajánlanak - a fém-oxidok között vannak olyan szupravezetők is, amelyek ellenállás nélkül vezetik az áramot.
A fém-oxidok egyedi tulajdonságai
Alexander Boris és Bernhard Keimer vezetésével a stuttgarti Max Planck Szilárdtestkutató Intézetben egy nemzetközi csapat most új módszert mutat be a fémoxidok tulajdonságainak testreszabására. A kutatók, köztük a Max Planck Fémkutató Intézet, a svájci Villigenben működő Paul Scherrer Intézet és a szintén svájci Fribourgi Egyetem tudósai először dolgozták ki pontosan, hogy az anyag térbeli dimenziója milyen fizikai viselkedésű befolyásolták.
"Így olyan célzott manipulációs változót fordítunk, amelyet a fizikusok eddig csak pontatlanul tudtak irányítani" - mondja Keimer. Azt sem sikerült feltárni, hogy a dimenzió milyen hatással van az elektronikus és mágneses viselkedésben szerepet játszó összes többi tényezőre. A hatás pedig óriási, amint azt a kutatók most felfedezték.
A lantán-nikkel-oxidot vizsgálták
A tudósok megvizsgálták a LaNiO3 fém-oxid-lantán-nikkel-oxidot, amely az elektronikusan inaktív lantán- és oxigénatomok mellett nikkelt is tartalmaz. Ezt a kompozíciót azért választották, nem utolsósorban azért, mert a nikkel különleges típusú elektront hoz magával, amelyek mágneses nyomatékaikkal mindig jót tesznek fizikai meglepetéseknek. Ennek egy szilárd darabnál azonban nem sok van észrevehető, és ez magában foglalja az összes mintát, amely vastagabb, mint négy anyagréteg, vagyis csak néhány nanométert mér: Ebben a formában a lantán-nikkel-oxid az egyik fémes vezető, és az elektronok mágneses nyomatéka összekeveredik mint a bukdácsoló rúdmágnesek. Így maradt, amikor a fizikusok az anyag négy rétegéből álló mintát majdnem abszolút nullára hűtötték mínusz 273 Celsius fokon.
A 2D réteg szigetelővé válik és antiferromágnesessé válik
"Ez két anyagrétegből készült mintában teljesen megváltozik" - mondja Keimer: Amikor az anyag mínusz 100 fok körül lehűlt, elveszítette elektromos vezetőképességét. A vékony réteg nehéz helyzetbe hozza az elektronokat: taszítják egymást, de már nem tudnak kitérni az útból. Ezért mindegyikük nagyjából egy atomnál áll meg, és az áram áramlása megszűnik.
De nem ez volt az egyetlen hatása a fogyókúrás étrendnek a fémoxidra. Amikor a fizikusok még tovább hűtötték a vékony mintát, mínusz 220 Celsius fok körüli értékre, az anyag mágneses sorrendet vett fel, pontosabban ferromágneses anti-rendszert: az elektronok mágneses nyomatékai párhuzamosan állnak egymással szemben, hasonlóan az északi részükhöz váltakozó rúdmágnesekhez - és Dél-Lengyelország egymás mellett van.
A kutatók lézeres párologtatással dolgoznak
"Az anyag elektronikus és mágneses tulajdonságait célzottan megváltoztathatjuk az anyag két rétegének hozzáadásával" - mondja Keimer. Az első kihívás, amellyel a fizikusok szembesültek vizsgálatuk során, a minta vastagságának pontos szabályozása volt.
"A szokásos kémiai eljárásokkal nem igazán tudod, mi fog kiderülni utána" - mondja Boris. A kutatók ezért egy fizikai módszerhez folyamodtak: lézersugár elpárologtatásához vagy impulzusos lézeres lerakódáshoz (PLD). Vákuumkamrában lézerimpulzusok segítségével gondosan adagolt mennyiségben párologtatják el a lantán-nikkel-oxidot. A fém-oxid a hordozóanyag szinte tökéletesen sík és tiszta felületére rakódik le, és a megfelelő hőmérsékleten egy teljesen rendezett, lapos, kívánt vastagságú réteget képez.
Még több kísérleti kihívás
A kutatók még nem sajátították el a kísérleti kihívásokat. Mivel csak néhány atomréteg vastag mintában az elektronikus és mágneses jellemzőket csak néhány trükkel lehet meghatározni. A minta vezetőképességének mérése érdekében például alig segít a fizikusoknak abban, hogy kábeleket csatlakoztassanak a minta két oldalához és megmérjék az áram áramlását.
"Amilyen pontosan megnőttek a vékony rétegek, a hordozóanyagnak mindig van valahol egy atomszintje, amely aztán megtalálható a gőzzel lerakódott rétegben is" - magyarázza Boris. A vezetőképesség normális mérése ilyen szakaszban meghiúsulna, mert megszakítja az áram áramlását. A kutatók ezért intenzív, infravörös fénysugarat irányítottak a mintára, amelyet az ANKA szinkrotron szolgáltatott Karlsruhe-ban. Az ebből a forrásból származó fényhullámok csak egy irányban rezegnek. Hogyan változik ez a rezgésirány, amikor a sugár visszaverődik a mintáról, elárul valamit a kutatók számára az anyagban lévő elektronok mobilitásáról és így a vezetőképességről.
A lassú müonok felfedik a mágneses rendet
Az antiferromágneses sorrend meghatározása csak két rétegből álló rétegben legalább ilyen bonyolult. Mivel a mágneses momentumok pontosan kioltják egymást, külső mágnesezéskor nem válnak észrevehetővé. A tudósok ezért müonokra, instabil elemi részecskékre támaszkodnak, amelyek a részecskegyorsítókban keletkeznek. Hasonlóak az elektronokhoz, de sokkal gyengébb a mágneses nyomatékuk.
"A müonok ezért alkalmasak érzékeny próbáknak a mágneses rendhez" - mondja Thomas Prokscha, a svájci Villigenben található Paul Scherrer Intézet kutatója, ahol van müóniát szállító részecskegyorsító.
A mikrochipek űrproblémája hamarosan megoldódik?
Csak a Paul Scherrer Intézetben tudják a kutatók szabályozni a müonok ütési sebességét is. Erre azért van szükség, hogy pontosan belenézhessünk velük két vagy négy anyagrétegbe. Ellenkező esetben a részecskék a lantán-nikkel-oxidon versenyeznek, és csak valahol ragadnak a hordozóanyagban. A Fribourgi Egyetem kollégáival együtt a Paul Scherrer Intézet tudósai megvizsgálták a lantán-nikkel-oxid rétegek mágneses rendjét. A müonok, amelyekkel a mintákat célozták meg, elbomlanak a fém-oxid rétegben. Töredékeik pályája azonban megmondja a fizikusoknak az anyag mágneses momentumainak orientációját.
"Hasonló módon most azt is meg akarjuk vizsgálni, hogy a minta dimenziója hogyan befolyásolja a fémoxidok elektronikus tulajdonságait, amelyek egy bizonyos hőmérséklet alatt szupravezetővé válnak" - mondja Keimer. Ily módon képesek olyan fémoxidokat adni, amelyek a mikrochipeken növekvő űrproblémát is megoldhatják. (Science, 2011; doi: 10.1126/science.1202647)