De revolutionaire technologische ontdekkingen van de komende decennia, degenen die het dagelijks leven zullen veranderen, kunnen afkomstig zijn van nieuwe materialen die zo klein zijn dat nanomaterialen eruitzien als klonterige kolossen.

Deze nieuwe materialen zullen worden ontworpen en verfijnd op picometerschaal, die duizend keer kleiner is dan een nanometer en een miljoen keer kleiner dan een micrometer (die zelf kleiner is dan de breedte van een mensenhaar). Om dit werk te kunnen doen, wetenschappers zullen training nodig hebben in een reeks nieuwe apparatuur die dergelijke voortreffelijk gecontroleerde materialen kan meten en geleiden. Het werk omvat het theoretisch ontwerpen van de materialen, ze fabriceren, en het karakteriseren van hun eigenschappen.

Aan de Yale-universiteit, ze hebben er een naam voor; ze noemen het 'picoscience'.

"Onderzoekers van Yale vinden nieuwe materialen uit die klein zijn, snel, en kan op veel manieren optreden, zoals het nabootsen van neuronen in de hersenen, rekenen met magneten, en rekenen met kwantummechanica, " zei Frederick Walker, een senior onderzoeker in het lab van Charles Ahn, de John C. Malone hoogleraar toegepaste natuurkunde, Werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en natuurkunde, en voorzitter van de faculteit Technische Natuurkunde.

Ahn is senior auteur van een nieuwe studie die de picoscience in nog een andere richting beweegt:elementen uit het periodiek systeem nemen en ermee sleutelen op subatomair niveau om nieuwe materialen te ontdekken.

Sangjae Lee, een afgestudeerde student in het laboratorium van Ahn en eerste auteur van de studie, ontwierp en groeide het nieuwe materiaal, dat is een kunstmatige, gelaagd kristal samengesteld uit de elementen lanthaan, titanium, kobalt, en zuurstof.

De onderzoekers legden de elementen één atomair vlak tegelijk op elkaar, zodat één atoom dikke platen titaanoxide een elektron overdragen aan één atoom dikke platen kobaltoxide. Dit veranderde de elektronische configuratie en magnetische eigenschappen van de kobaltoxideplaat.

"We waren in staat om de samenstellende atomen te manipuleren met een precisie die veel kleiner is dan het atoom zelf, Lee zei. "Dit soort nieuwe kristallen kan de basis vormen voor de ontwikkeling van nieuwe magnetische materialen, waar een delicaat evenwicht tussen magnetisme en elektronische geleiding op zulke kleine lengteschalen kan worden gemanipuleerd in nieuwe, transistorachtige apparaten die prestatievoordelen hebben ten opzichte van de hedendaagse transistors."

Lee trainde op een aantal instrumenten die worden ontwikkeld bij de National Synchrotron Light Source II in het Brookhaven National Laboratory in New York. Een synchrotron is een machine ter grootte van een voetbalveld die elektronen versnelt tot bijna de lichtsnelheid. De elektronen genereren extreem heldere röntgenstralen die door onderzoekers in experimenten worden gebruikt.

De nieuwe studie verschijnt in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven en bevat co-auteurs van Yale, Brookhaven, het Strijkijzer Instituut, en Argonne Nationaal Laboratorium. De co-auteurs van Yale, naast Ahn en Lee, zijn Sohrab Ismail-Beigi, Alex Taekyung Lee, wandelaar, Ankit Disa, en Yichen Jia.

Naast het ontwerpen en kweken van de nieuwe materialen, Sangjae Lee karakteriseerde ze en analyseerde de resultaten. Van de theoretische kant, Yale-collega's Alex Taekyung Lee en Alexandru Georgescu, die nu bij het Center for Computational Quantum Physics van het Flatiron Institute zit, gebruikte kwantummechanische berekeningen om de structuur van de materialen en het effect ervan op hun elektronische configuratie te berekenen. Dit werk stelde het team in staat om de magnetische toestand van de materialen te beschrijven.

Yale heeft de ontwikkeling van kwantummaterialen geïdentificeerd als een prioritair onderzoeksgebied, en voorzien hun gebruik in nieuwe computersystemen die de huidige computers ver zullen overtreffen. De universiteit heeft ook gewezen op het belang van samenwerkingen met Brookhaven, die enkele van de meest geavanceerde faciliteiten voor materiaalkarakterisering in de Verenigde Staten heeft, inclusief de nieuwste synchrotron van het land.

"De uitvinding van nieuwe materialen vormt de kern van de technologische vooruitgang die ons leven heeft veranderd, " zei co-auteur Ismail-Beigi, een professor in de toegepaste natuurkunde aan de Yale. "Nieuwe elektronische materialen hebben geleid tot de steeds grotere mogelijkheden van mobiele telefoons, computers, tabletten, slimme horloges, en medische hulpmiddelen."

Co-auteur Walker benadrukte het belang van communicatie tussen experimentatoren en theoretici bij het uitvoeren van picowetenschappelijk onderzoek:"Een synergetische feedbacklus tussen theoretisch ontwerp en experimentele fabricage is cruciaal voor het succesvol ontdekken van nieuwe materiaaleigenschappen, " zei hij. "Deze feedbacklus is een kenmerk geworden van het materiaalontdekkingsprogramma van de National Science Foundation en werd oorspronkelijk ontwikkeld aan de Yale."