Een onderzoeksteam onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een techniek ontwikkeld die zou kunnen leiden tot nieuwe elektronische materialen die de beperkingen van de Wet van Moore overtreffen. die in 1975 voorspelde dat het aantal transistors verpakt in een kleine op silicium gebaseerde computerchip elke twee jaar zou verdubbelen. Hun bevindingen werden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In de zoektocht naar nieuwe materialen met het potentieel om beter te presteren dan silicium, wetenschappers wilden profiteren van de ongebruikelijke elektronische eigenschappen van 2D-apparaten die oxide-heterostructuren worden genoemd, die bestaan ​​uit atomair dunne lagen van materialen die zuurstof bevatten.

Wetenschappers weten al lang dat oxidematerialen, zelfstandig, zijn typisch isolerend, wat betekent dat ze niet elektrisch geleidend zijn. Wanneer twee oxidematerialen op elkaar worden gelaagd om een ​​heterostructuur te vormen, nieuwe elektronische eigenschappen zoals supergeleiding - de toestand waarin een materiaal elektriciteit kan geleiden zonder weerstand, meestal bij honderden graden onder het vriespunt - en magnetisme vormt zich op de een of andere manier op hun grensvlak, dat is het kruispunt waar twee materialen elkaar ontmoeten. Maar er is heel weinig bekend over hoe deze elektronische toestanden kunnen worden gecontroleerd, omdat er maar weinig technieken zijn die onder de interface kunnen peilen.

Nutsvoorzieningen, het door Berkeley Lab geleide team - geregisseerd door Alessandra Lanzara, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley - heeft een techniek gedemonstreerd die licht werpt op de productie van nieuwe exotische staten, zoals supergeleiding van atomair dunne oxide heterostructuren.

Bij de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab, de onderzoekers gebruikten een speciale techniek genaamd hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) om de elektronische structuur van elektronen opgesloten tussen lagen van een strontiumtitanaat/samariumtitanaat heterostructuur direct te meten.

Sonderen op een diepte van ongeveer 1 nanometer (een miljardste van een meter) in het monster, de onderzoekers ontdekten twee unieke elektronische eigenschappen - een Van Hove-singulariteit (VHS) en Fermi-oppervlaktopologie genoemd - die fysici van gecondenseerde materie lange tijd hebben overwogen als belangrijke kenmerken voor het afstemmen van supergeleiding en andere dergelijke exotische elektronische toestanden in elektronische materialen.

De waarneming van de VHS- en Fermi-oppervlaktopologie op het grensvlak tussen atomair dunne oxidematerialen suggereert voor het eerst dat het systeem een ​​ideaal platform is om te onderzoeken hoe supergeleiding op atomaire schaal in 2D-materialen kan worden gecontroleerd.

"Onze bevindingen voegen nieuwe stukjes informatie toe aan dit jonge veld. Hoewel de weg naar industrieel gebruik van oxide-elektronica nog ver is, ons werk is een stap voorwaarts in de ontwikkeling van alternatieven van de volgende generatie voor traditionele elektronica die verder gaan dan de wet van Moore, " zei hoofdauteur Ryo Mori, een doctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en Ph.D. student natuurkunde aan UC Berkeley.

De wetenschappers zijn vervolgens van plan om verder te onderzoeken hoe elektronische eigenschappen zoals Van Hove-singulariteiten veranderen bij hogere temperaturen en verschillende spanningen.