Het bereiden van de perfecte sandwich op nanoschaal van ingrediënten op basis van zuurstof was geen sinecure.

Maar met de hulp van twee natuurkundigen uit Nebraska, een internationaal team van onderzoekers is er eindelijk in geslaagd - een einde aan een bijna 15-jarige zoektocht naar het observeren van een fenomeen dat zou kunnen helpen een toekomstige generatie elektronica van stroom te voorzien en te miniaturiseren.

In 2004, onderzoekers observeerden een gas van elektronen dat tweedimensionaal door een nano-sandwich stroomde die was gemaakt van oxiden:chemische verbindingen die zuurstofatomen bevatten. Die demonstratie van een 2D-elektronengas betekende de belofte om elektrische stroom te beperken tot kleinere ruimtes en, beurtelings, elektronische componenten verkleinen tot kleinere schalen.

Toch heeft het negatief geladen elektron een tegenhanger - een positief geladen "gat" dat het achterlaat wanneer het uit zijn baan rond een atoom wordt geworpen. Dus gingen natuurkundigen op zoek naar het creëren en observeren van een 2D-gatgas dat eveneens fungeert als een bron van elektrische stroom.

Zoals beschreven in het journaal Natuurmaterialen , onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Universiteit van Nebraska-Lincoln liepen voorop bij het volbrengen van de lang gezochte prestatie. Dit vereiste enkele jaren van perfectionering van zowel de ingrediënten als de voorbereiding. Nebraska's Evgeny Tsymbal en Tula Paudel informeerden de laatste door op theorie gebaseerde berekeningen en modellering uit te voeren via het Holland Computing Center van de universiteit.

Het recept zelf leek eenvoudig genoeg. Om een ​​2D-elektronengas te produceren, onderzoekers hadden eerder een positief geladen oxidelaag op een neutrale basis gestapeld, vinden dat negatief geladen elektronen naar beneden stroomden naar de nanoscopische ruimte tussen de twee. Door een negatief geladen laag toe te voegen bovenop de positieve plak, dan de nano-sandwich afdekken met een andere neutrale laag, onderzoekers hadden gehoopt dat positief geladen gaten dat gedrag zouden nabootsen door naar boven te migreren om hun eigen 2D-gas te vormen.

Ze verzetten zich. Waarom? Zuurstofatomen verlieten hun posten, en hun positief geladen vacatures - nutteloos voor het produceren van een elektrische stroom - verhinderden dat de gaten omhoog gingen.

"We hebben gekeken naar de verschillende concentraties van de zuurstofvacatures, de verschillende posities van deze gebreken, en hoe het gedrag verandert (als gevolg), " zei Tsymbal, George Holmes University hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde.

Het team ontdekte dat het kon wegkomen met een paar afwezige zuurstofatomen, zolang degenen in het heetst van de actie erin slaagden stand te houden.

“Positionering is belangrijk, " zei Paulel, een wetenschappelijk medewerker die de meeste berekeningen heeft uitgevoerd. "Je wilt geen zuurstoftekorten in de buurt van de regio waar je verondersteld wordt een tweedimensionaal gatgas te hebben."

Die inzichten, gecombineerd met nauwkeurige specificaties voor de dikte van elk plakje in de nano-sandwich, geleide experimenten die plaatsvinden in Wisconsin. Door die plakjes atoom voor atoom op te bouwen - gemakkelijker gedaan met oxiden dan veel andere materiaalklassen - en het materiaal te fabriceren in een onder druk staande, zuurstofrijke omgeving die leegstand minimaliseert, de Wisconsin-onderzoekers slaagden erin het 2-D-gatgas te produceren en te karakteriseren.

Al decenia, ingenieurs hebben de meeste elektronische componenten vervaardigd uit halfgeleidende materialen zoals silicium, het werkpaard van de branche.

"Het probleem is dat we fundamentele limieten naderen, " zei Tsymbal, directeur van Nebraska's Materials Research Science and Engineering Center. "Op een gegeven moment (binnenkort) we zullen bepaalde limieten naderen waarboven we de halfgeleiderroutekaart niet kunnen voortzetten (volgen) op de manier waarop we eerder deden. Dus we moeten de manier waarop onze apparaten werken conceptueel veranderen."

Een van die grenzen is de ruimte. De race om meer functionaliteit te proppen - geheugen, bijvoorbeeld - in kleinere en kleinere apparaten heeft ingenieurs ertoe geleid dat ze op zoek waren naar oxiden en andere materialen die, wanneer gecombineerd, kan geleidbaarheid in de meest krappe grenzen persen. De nieuwe studie maakte gebruik van een oxide genaamd strontiumtitanaat - wat Tsymbal beschreef als het "silicium van oxide-elektronica" - om dit te bereiken.

"Het voordeel hier is dat de opsluiting - de dikte van dit tweedimensionale elektron of gatgas - veel kleiner is in vergelijking met wat je hebt in halfgeleiders, ' zei Tsymbal. 'In plaats van, bijvoorbeeld, tientallen nanometers, we kunnen het beperken tot één nanometer. Dus, in principe, we kunnen de apparaten veel kleiner maken in vergelijking met die in halfgeleiderelektronica."

Hoewel strontiumtitanaat en zijn oxidebroeders over het algemeen zelf geen magnetisme vertonen, ze soms doen wanneer ze worden gecombineerd. Ze tonen zelfs het potentieel voor supergeleiding - elektrische stroom die zonder enige weerstand stroomt - en andere eigenschappen die aantrekkelijk zijn voor elektrische en computeringenieurs.

Als theoretici, Tsymbal en Paudel zijn geïnteresseerd in de verschijnselen die kunnen ontstaan ​​uit 2-D elektronen- en gatgassen die parallel door hetzelfde materiaal stromen. Onder hen:het koppelen van elektronen en gaten tot deeltjesachtige excitonen die zich als een groot collectief anders gedragen dan alleen.

"Oxiden die opscheppen over deze complementaire 2D-gassen, kunnen nu gaan dienen als nanoscopische laboratoria om nieuwe fysica te creëren en te bestuderen, ' zei Paul.

Hoe die verschijnselen uiteindelijk kunnen worden toegepast, blijft een open vraag, Tsymbal zei, maar een die het ontdekken waard is.

"Toen onderzoekers meer dan 60 jaar geleden aan halfgeleiders begonnen te werken, niemand wist dat ze centraal zouden worden in de moderne technologie, "Zei Tsymbal. "Op dit punt, oxide-elektronica bevindt zich op het niveau van fundamenteel onderzoek, dus het is moeilijk te voorspellen waar ze heen zullen gaan.

"Maar je kunt oxide-interfaces met extreme precisie besturen. Als je dat eenmaal hebt, je kunt iets doen dat lijkt op wat halfgeleiders bereiken, maar misschien ook iets anders."