Er zou een potentiële revolutie in de apparaattechniek aan de gang kunnen zijn, dankzij de ontdekking van functionele elektronische interfaces in kwantummaterialen die zichzelf spontaan kunnen assembleren.

"Dit illustreert dat als we kunnen leren om de opmerkelijke eigenschappen op de grensvlakken van kwantummaterialen te beheersen en te exploiteren, dit zal waarschijnlijk resulteren in een nieuwe generatie apparaten die onze huidige verbeelding te boven gaat, " zei Marc Janoschek, een natuurkundige aan het Los Alamos National Laboratory die, met David Fobes, ook van Los Alamos, leidde het internationale onderzoeksteam dat de ontdekking deed. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuurfysica . "Echter, omdat kwantummaterialen chemisch veel complexer zijn in vergelijking met 'conventionele' materialen zoals halfgeleiders, het blijft een uitdaging om schone kwantummateriaalinterfaces te fabriceren."

Materialen met eigenschappen die worden gekenmerkt door de wetten van de kwantummechanica in plaats van de klassieke mechanica hebben vaak kenmerken zoals supergeleiding. Maar uitgebreid onderzoek heeft aangetoond dat op grensvlakken tussen twee materialen, de opmerkelijke eigenschappen van kwantummaterialen kunnen sterk worden verbeterd of er kunnen geheel nieuwe functionele eigenschappen ontstaan.

Een voorbeeld van het belang van materiële interfaces zijn transistors, waarvan de functie is gebaseerd op fysieke effecten die optreden op halfgeleiderinterfaces die kunstmatig zijn ontworpen via technieken zoals lithografie. Transistoren vormen de basis voor de huidige generatie elektronische apparaten.

De complexiteit van kwantummaterialen wordt vaak gekenmerkt door de concurrentie van verschillende interacties op kwantumniveau.

“Hier hebben we laten zien dat deze complexiteit tegelijkertijd ook een oplossing biedt, " zei Fobes, die zijn postdoctoraal onderzoek verrichtte onder begeleiding van Janoschek. Fobes en Janoschek leidden het internationale team van onderzoekers dat uitgebreide neutronenspectroscopiemetingen combineerde van de Spallation Neutron Source (SNS) van Oak Ridge National Laboratory (ORNL), National Institute of Standards and Technology's (NIST) Centrum voor Neutronenonderzoek (NCNR), Verenigd Koninkrijk Neutron en Muon Source (ISIS), en aan de Munich Research Reactor II (FRM II) van het Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum in Duitsland met gedetailleerde theoretische modellering.

"Neutronenspectroscopiemetingen waren cruciaal om aan te tonen dat in bepaalde metalen, de concurrentie tussen verschillende interacties kan worden opgelost door de spontane vorming van een toestand waarin de elektronische en magnetische eigenschappen periodiek afwisselen, " zei Georg Ehlers, de ORNL-wetenschapper die spectroscopiemetingen uitvoerde bij SNS.

Deze periodieke opstelling leidt tot interfaces tussen afwisselende materiaallagen die verwant zijn aan interfaces in gemanipuleerde heterostructuren. Echter, de spontaan zelfassemblerende interfaces die in deze studie zijn geïdentificeerd, hebben grote voordelen; ze zijn intrinsiek schoon, en relevante parameters zoals de interfacedikte kunnen in-situ worden afgestemd via externe parameters zoals magnetisch veld of temperatuur.

De basisingrediënten die door Fobes en het team zijn geïdentificeerd, zijn gemeenschappelijk voor verschillende klassen van kwantummaterialen en suggereren dat deze intrinsieke en afstembare interfaces vaker voorkomen. De zelfassemblage van dergelijke intrinsieke kwantuminterfaces leren beheersen, beurtelings, heeft het potentieel om het apparaatontwerp te revolutioneren, waar apparaten niet worden gefabriceerd maar spontaan worden gevormd via kwantumengineering van de onderliggende interacties op atomaire schaal. In aanvulling, deze apparaten kunnen worden afgestemd en opnieuw geconfigureerd met behulp van externe parameters, mogelijk waardoor het ontwerp van zeer adaptieve elektronica mogelijk is.