Glas is meer dan op het eerste gezicht lijkt.

Bril, die ongeordende materialen zijn zonder chemische orde op lange afstand, hebben een aantal mysterieuze eigenschappen die tientallen jaren raadselachtig zijn gebleven.

Hiertoe behoren de afwijkende trillingstoestanden die bijdragen aan de warmtecapaciteit bij lage temperatuur. Vroege onderzoekers stelden vast dat deze staten de Bose-Einstein-statistieken gehoorzamen, en de naam bleef hangen, dus tegenwoordig staat deze functie bekend als de bosonpiek.

Het is algemeen aanvaard dat deze trillingstoestanden het gevolg zijn van het verval van bosonische fononachtige quasideeltjes in de sterk ongeordende glasomgeving.

Recente samenwerking tussen FLEET-partners, de Universiteit van Wollongong, RMIT en ANSTO hebben de frequentie van de boson-piek onthuld in de dichtheid van toestanden van ultradun aluminiumoxide met een dikte van 2 nanometer.

Amorf aluminiumoxide is een belangrijk glas, gebruikt in de elektronica-industrie als diëlektrische laag, en binnen de opkomende kwantumcomputersector waar het de rol speelt van de barrière in een Josephson-barrière-overgang.

Toch verrassend, veel van de fundamentele eigenschappen van aluminiumoxide blijven onbekend vanwege het feit dat het thermodynamisch onstabiel is op macroschaal.

Het UoW / RMIT-team heeft dit probleem overwonnen door zich te concentreren op glazen op nanoschaal, in de context van kern-schildeeltjes van een aluminiumbol gewikkeld in een dunne huid van zijn natuurlijke aluminiumoxide. Je kunt het je voorstellen als een hardgekookt ei, met een interne aluminium massieve "dooier" omgeven door een dunne, externe aluminiumoxide schaal.

Gewapend met deze nieuwe (en licht explosieve) samples, ze hebben neutronenspectroscopie ingezet bij ANSTO - een van de FLEET-partnerorganisaties - om de roostertrillingen in de kernschildeeltjes te meten.

Door verschillende deeltjesgroottes te bestuderen, de relatieve verhouding van de kern:schaal werd gevarieerd om de groep in staat te stellen de bijdragen van het "dooier" aluminium en van het aluminiumoxide "omhulsel" te scheiden.

Door de kleine deeltjes te gebruiken om het oppervlaktecontrast te verbeteren, de groep onthulde een THz-frequentiekenmerk voor de bosonpiek dat goed in overeenstemming is met theoretische berekeningen.

"Ik was opgewonden om de match te zien tussen de moleculaire dynamica uitgevoerd door de Cole-groep en ons neutronenexperiment, ", zegt hoofdauteur David Cortie. "Ons vermogen om de vibrationele en elektronische eigenschappen van ultradunne materialen en hetero-interfaces te voorspellen, wordt elk jaar beter."

Omdat roostertrillingen een belangrijke bron van dissipatie in de elektronica zijn, de nieuwe metingen zijn nuttig om methoden te identificeren om de warmteoverdracht door ultradun aluminiumoxide te beheersen. Dit heeft ook enkele andere verrassende implicaties buiten de elektronica, omdat de volgende generatie ruimtevaartuigen voor expedities buiten Mars aluminium/aluminiumoxide kunnen gebruiken als het probleem van warmteoverdracht kan worden verminderd.

In een aparte ontwikkeling de groep vond ook duidelijk bewijs voor waterstof in de vorm van H2O en hydroxylgroepen die rondsuizen op het oppervlak van het aluminiumoxide, en rapporteerde een procedure om deze oorspronkelijke oppervlaktedefecten te verwijderen met behulp van een warmtebehandelingsprocedure.

"We waren niet van plan om waterstof te bestuderen, ", zegt hoofdauteur Jared Cole, "Echter, het feit dat we het zo duidelijk hebben waargenomen, kan heel toevallig zijn. Waterstof is een belangrijke oppervlakte-onzuiverheid in supergeleidende kwantumcircuits, en experimenten als deze zijn een handige manier om te leren hoe het zich gedraagt, en hoe de effecten ervan te verminderen."

Normaal gesproken is waterstof bijna onzichtbaar voor standaardtechnieken, maar neutronen verstrooien tien keer sterker door waterstof dan andere elementen, omdat ze interageren via kernkrachten in plaats van elektromagnetische interacties. Bij ultra-lage temperaturen, kwantumtunneling van waterstof in systemen met twee niveaus is een kandidaat om de bron van decoherentie in toonaangevende kwantumcomputerschema's te verklaren.

De studie, "Bosonpiek in ultradunne aluminiumoxidelagen onderzocht met neutronenspectroscopie, " werd gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek .