Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth hebben een ongebruikelijk materiaal ontdekt:bij afkoeling tot twee graden Celsius, de kristalstructuur en elektronische eigenschappen veranderen abrupt en aanzienlijk. In deze nieuwe staat, de afstanden tussen ijzeratomen kunnen op maat worden gemaakt met behulp van lichtstralen. Dit opent intrigerende toepassingsmogelijkheden op het gebied van informatietechnologie. De wetenschappers hebben hun ontdekking gepresenteerd in het tijdschrift Angewandte Chemie—Internationale editie . De nieuwe bevindingen zijn het resultaat van nauwe samenwerking met partnerfaciliteiten in Augsburg, Dresden, Hamburg, en Moskou.

Het materiaal is een ongebruikelijke vorm van ijzeroxide met de formule Fe₅O₆. De onderzoekers produceerden het bij een druk van 15 gigapascal in een hogedruklaboratorium van het Beierse onderzoeksinstituut voor experimentele geochemie en geofysica (BGI), gevestigd aan de universiteit van Bayreuth. Als de temperatuur daalt tot twee graden Celsius, zoals te vinden in een huishoudelijke koelkast die nogal koud is ingesteld, er treedt een plotselinge structurele verandering op:ijzerionen, die bij hogere temperaturen in lange ketens aan elkaar zijn geregen, herschikken zichzelf in plaats daarvan in paren. Twee ijzerionen vormen een binding tussen elkaar, die alleen uit een enkel gedeeld elektron bestaat.

Het selectief toepassen van lichtstralen van een externe bron kan ingrijpen in de vorming van deze nieuwe kristalstructuur. Als ze een geschikte golflengte hebben, ze kunnen de binding tussen twee bepaalde ijzerionen verbreken:het ionenpaar splitst zich. Als resultaat, de individuele ijzerionen beginnen wat te bewegen, wat betekent dat hun afstand tot elkaar en hun fysieke toestand veranderen. "Deze gerichte beïnvloeding van atomaire ruimte bij koelkasttemperaturen, die gemakkelijk industrieel te realiseren zijn, heeft een groot potentieel voor toepassing in de IT-sector. Het kan gebruikt worden, bijvoorbeeld, in kwantumcomputers, voor opslagelementen van slechts enkele nanometers, of voor even kleine schakelaars, " legt Dr. Sergey Ovsyannikov van BGI uit, eerste auteur van de publicatie.

De synthese en het onderzoek van ijzeroxide Fe₅O₆ zijn van fundamenteel belang bij het ophelderen van de relaties tussen de kristalstructuur van ijzeroxiden en hun fysische eigenschappen. Dit is een verdere bevinding van de nu gepubliceerde studie. interessant, de afstand tussen de ijzerionen, die bij normale omgevingstemperaturen in kettingen aan elkaar zijn geregen, lijkt te bepalen bij welke lagere temperatuur de bovengenoemde plotselinge structurele verandering optreedt, en de resulterende nieuwe eigenschappen ontstaan. "Deze bevindingen vormen een waardevolle basis voor het ontwikkelen van nieuwe materialen voor informatietechnologie, " zegt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky van BGI, die het onderzoekswerk coördineerde.

De significante structurele verandering die onderzoekers nu hebben ontdekt in ijzeroxide Fe₅O₆ staat in de natuurkunde bekend als de 'Verwey lading-orde-overgang'. Tot nu, zo'n temperatuurafhankelijke overgang, die gepaard gaat met een verandering in elektronische en andere eigenschappen, was alleen goed bestudeerd in ijzeroxide Fe₃O₄. In dit materiaal, echter, de veranderingen treden pas op als de temperatuur daalt tot min 153 graden Celsius. Bij deze overgangstemperatuur alle toepassingen voor informatietechnologie zouden moeilijk te implementeren zijn.