Hoe kan een elektrisch geleidend grensvlak verschijnen op de kruising tussen twee materialen die geen elektriciteit geleiden? Sinds een dergelijk fenomeen in 2004 werd ontdekt, tegenstrijdige hypothesen zijn naar voren gebracht om deze vraag te beantwoorden, elk met zijn fervente aanhangers en critici. Een internationaal team dat onderzoekers van het Paul Scherrer Institute (PSI) samenbrengt, de Universiteit van Genève (UNIGE) en de afdeling Theoretical Physics of Materials van de Universiteit van Luik hebben het debat verduidelijkt.

Deze onderzoekers hebben aangetoond dat de geleidbaarheid het gevolg is van een effect dat intrinsiek is aan de verbinding tussen de twee materialen, het weerleggen van de alternatieve hypothese van een extrinsieke oorsprong die verband houdt met de aanwezigheid van onvolkomenheden die zijn geïntroduceerd tijdens de kruising die wordt ontwikkeld. Het grensvlak tussen deze twee verbindingen bezit fascinerende elektrische en magnetische eigenschappen die een glimp bieden van een aantal toepassingen op het gebied van elektronica en informatica. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In 2004 ontdekten onderzoekers een geleidende laag op het grensvlak tussen twee isolerende oxiden, SrTiO ₃ en LaAlO ₃ . Na een aantal jaren van intensief onderzoek, de oorsprong van de geleidbaarheid nog steeds controversieel.

Eén denkrichting verbindt deze geleiding met eigenschappen die intrinsiek zijn aan de junctie. In simplistische termen, de verschillende chemische aard van de atomen waaruit SrTiO . bestaat ₃ en LaAlO ₃ wordt verondersteld verantwoordelijk te zijn voor een onbalans in de elektrische lading op een of ander deel van de interface. Om deze onbalans te compenseren voorspelt de theorie dat voor een kritische dikte van LaAlO ₃ , het elektronische systeem zal zichzelf herschikken door elektronen over te dragen naar de interface, waardoor het geleidend wordt.

Deze uitleg, dat de naam van het 'polaire catastrofe-model' draagt, zet zich af tegen het idee dat onvolkomenheden, inherent aan de groei van de laag LaAlO ₃ , ligt aan de basis van een chemische dotering van het gebied van het grensvlak en genereert de geleidende laag.

Het juiste experiment

Om deze controverse op te helderen, het team van onderzoekers bedacht een experiment waarmee een fundamentele voorspelling van 'polaire catastrofe' kan worden getest om deze verklaring te valideren.

Het experiment bestond uit het vervangen van een van de materialen, LaAlO ₃ , door zijn legering met de andere verbinding, waardoor de ladingsonbalans op de interface wordt gewijzigd. Aan de Universiteit van Luik, Denis Fontaine en Philippe Ghosez voorspelden theoretisch het effect van deze verandering op de kritische dikte. De PSI- en UNIGE-groepen hebben monsters gemaakt en gemeten. Deze experimenten toonden aan dat de relatie tussen de kritische dikte en de samenstelling van de legering perfect overeenkwam met de theoretische voorspelling, de intrinsieke oorsprong van het fenomeen aantonen.

Talloze toepassingen in zicht

Deze geleidende interface zou een belangrijke rol kunnen spelen in toekomstige toepassingen zoals die van transistors of sensoren. Het feit dat de oorsprong van de geleidbaarheid intrinsiek is aan het systeem is een pluspunt voor de ontwikkeling van op oxide gebaseerde elektronica.