Elektronica regeert onze wereld, maar elektronen beheersen onze elektronica. Een onderzoeksteam van de Ohio State University heeft een manier ontdekt om te vereenvoudigen hoe elektronische apparaten die elektronen gebruiken - met behulp van een materiaal dat een dubbele rol kan spelen in de elektronica, waar historisch gezien meerdere materialen nodig waren.

Het team publiceerde zijn bevindingen op 18 maart in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"We hebben in wezen materiaal met een dubbele persoonlijkheid gevonden, " zei Joseph Heremans, co-auteur van de studie, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek en Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology aan de Ohio State. "Het is een concept dat voorheen niet bestond."

Hun bevindingen kunnen een vernieuwing betekenen van de manier waarop ingenieurs allerlei soorten elektronische apparaten maken. Dit omvat alles van zonnecellen, naar de light-emitting diodes in uw televisie, naar de transistors in je laptop, en naar de lichtsensoren in je smartphonecamera.

Die apparaten zijn de bouwstenen van elektriciteit:elk elektron heeft een negatieve lading en kan energie uitstralen of absorberen, afhankelijk van hoe het wordt gemanipuleerd. Gaten - in wezen, de afwezigheid van een elektron - een positieve lading hebben. Elektronische apparaten werken door elektronen en gaten te verplaatsen, waardoor ze in wezen elektriciteit geleiden.

Maar historisch gezien elk onderdeel van het elektronische apparaat kan alleen fungeren als elektronenhouder of gatenhouder, niet beide. Dat betekende dat elektronica meerdere lagen - en meerdere materialen - nodig had om te presteren.

Maar de onderzoekers van de staat Ohio vonden een materiaal - NaSn ₂ Als ₂ , een kristal dat zowel elektronenhouder als gatenhouder kan zijn, waardoor er mogelijk geen meerdere lagen nodig zijn.

"Het is dit dogma in de wetenschap, dat je elektronen of gaten hebt, maar je hebt ze niet allebei. Maar onze bevindingen zetten dat op zijn kop, " zei Wolfgang Windl, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Ohio State, en co-auteur van de studie. "En het is niet zo dat een elektron een gat wordt, omdat het dezelfde verzameling deeltjes is. Hier, als je het materiaal op een bepaalde manier bekijkt, het lijkt op een elektron, maar als je een andere kant op kijkt, het lijkt op een gat."

De bevinding zou onze elektronica kunnen vereenvoudigen, misschien het creëren van efficiëntere systemen die sneller werken en minder vaak kapot gaan.

Zie het als een Rube Goldberg-machine, of het bordspel Mouse Trap uit de jaren 60:hoe meer stukken er in het spel zijn en hoe meer bewegende delen, hoe minder efficiënt energie door het systeem reist - en hoe groter de kans dat er iets misgaat.

"Nutsvoorzieningen, we hebben deze nieuwe familie van gelaagde kristallen waarbij de dragers zich gedragen als elektronen wanneer ze binnen elke laag reizen, en gaten tijdens het reizen door de lagen. ... Je kunt je voorstellen dat er unieke elektronische apparaten zijn die je zou kunnen maken, " zei Joshua Goldberger, universitair hoofddocent scheikunde en biochemie aan de staat Ohio.

De onderzoekers noemden dit fenomeen met dubbele capaciteit 'goniopolariteit'. Ze geloven dat het materiaal op deze manier functioneert vanwege zijn unieke elektronische structuur, en zeggen dat het waarschijnlijk is dat andere gelaagde materialen deze eigenschap kunnen vertonen.

"We hebben ze alleen nog niet gevonden, ' zei Heremans. 'Maar nu weten we ze te zoeken.'

De onderzoekers deden de ontdekking bijna per ongeluk. Een afstudeeronderzoeker in het laboratorium van Heremans, bin hij, was de eigenschappen van het kristal aan het meten toen hij merkte dat het materiaal zich soms gedroeg als een elektronenhouder en soms als een gatenhouder - iets dat, op dat punt, wetenschappelijk denken was onmogelijk. Hij dacht dat hij misschien een fout had gemaakt, voerde het experiment steeds opnieuw uit, en kreeg hetzelfde resultaat.

"Het was dit ding waar hij op lette en hij nam niets aan, ', aldus Heremans.