De ontdekking van een ongekend fysiek effect in een nieuw kunstmatig materiaal markeert een belangrijke mijlpaal in het langdurige proces van het ontwikkelen van "op bestelling gemaakte" materialen en meer energie-efficiënte elektronica.

De op silicium gebaseerde elektronica van vandaag verbruikt een aanzienlijk en steeds groter deel van de energie in de wereld. Een aantal onderzoekers onderzoekt de eigenschappen van materialen die complexer zijn dan silicium, maar veelbelovend zijn voor de elektronische apparaten van morgen - en die minder elektriciteit verbruiken. In lijn met deze aanpak, wetenschappers van de Universiteit van Genève (UNIGE) hebben samengewerkt met het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Lausanne (EPFL), de Universiteit van Zürich, het Flatiron Institute van New York en de Universiteit van Luik. De wetenschappers hebben een tot nu toe onbekend natuurkundig fenomeen ontdekt in een kunstmatig materiaal dat bestaat uit zeer dunne laagjes nikkelaat. Dit kan worden gebruikt om enkele elektronische eigenschappen van het materiaal nauwkeurig te controleren, zoals de plotselinge overgang van een geleidende naar een isolerende toestand. Het kan ook worden gebruikt om nieuwe, energiezuinigere apparaten. U kunt over deze technologische vooruitgang lezen in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Nikkelaten staan ​​bekend om een ​​bijzondere eigenschap:ze schakelen plotseling over van een isolerende toestand naar die van een elektrische geleider wanneer hun temperatuur boven een bepaalde drempel stijgt, " begint Jean-Marc Triscone, een professor in de afdeling Quantum Matter Physics in de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. "Deze overgangstemperatuur varieert afhankelijk van de samenstelling van het materiaal."

Nickelaten worden gevormd uit een nikkeloxide met toevoeging van een atoom dat behoort tot zogenaamde "zeldzame aarde"-elementen (d.w.z. een set van 17 elementen uit het periodiek systeem). Wanneer deze zeldzame aarde samarium (Sm) is, bijvoorbeeld, de metaal-isolator sprong vindt plaats bij ongeveer 130°C, terwijl als het neodymium (Nd) is, de drempel daalt tot -73°C. Dit verschil wordt verklaard door het feit dat wanneer Sm wordt vervangen door Nd, de kristalstructuur van de verbinding is vervormd - en het is deze vervorming die de waarde van de overgangstemperatuur bepaalt.

In hun poging om meer te weten te komen over deze materialen, de in Genève gevestigde wetenschappers bestudeerden monsters die bestonden uit herhaalde lagen samariumnikkelaat afgezet op lagen neodymiumnikkelaat - een soort "supersandwich" waar alle atomen perfect zijn gerangschikt.

Zich gedragen als een enkel materiaal

Claribel Domínguez, een onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics en de eerste auteur van het artikel, legt uit:"Als de lagen vrij dik zijn, ze gedragen zich onafhankelijk, waarbij elk zijn eigen overgangstemperatuur behoudt. Gek genoeg, toen we de lagen verfijnden tot ze niet groter waren dan acht atomen, het hele monster begon zich te gedragen als een enkel materiaal, met slechts één grote sprong in geleidbaarheid bij een tussenliggende overgangstemperatuur."

Een zeer gedetailleerde analyse uitgevoerd door elektronenmicroscoop bij EPFL - ondersteund door geavanceerde theoretische ontwikkelingen van Amerikaanse en Belgische collega's - toonde aan dat de voortplanting van de vervormingen in de kristalstructuur op de interfaces tussen de materialen alleen plaatsvindt in twee of drie atomaire lagen . Overeenkomstig, het is niet deze vervorming die het waargenomen fenomeen verklaart. In werkelijkheid, het is alsof de verste lagen op de een of andere manier weten dat ze heel dicht bij de interface zijn, maar zonder fysiek te worden vervormd.

Het is geen magie

"Er is niets magisch aan, " zegt Jennifer Fowlie, een onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics en co-auteur van het artikel. "Onze studie toont aan dat het onderhouden van een interface tussen een geleidend gebied en een isolerend gebied, zoals het geval is in onze monsters, is erg duur qua energie. Dus, wanneer de twee lagen dun genoeg zijn, ze kunnen veel minder energie-intensief gedrag aannemen, die bestaat uit het worden van een enkel materiaal, ofwel volledig metallisch of volledig isolerend, en met een gemeenschappelijke overgangstemperatuur. En dit alles gebeurt zonder dat de kristalstructuur wordt veranderd. Dit effect, of koppeling, is ongekend."

Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij de steun van de Zwitserse National Science Foundation en de Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials' Control). Het biedt een nieuwe manier om de eigenschappen van kunstmatige elektronische structuren te controleren, die, op dit moment, is de sprong in geleidbaarheid verkregen door de Genève-onderzoekers in hun composietnikkelaat, wat een belangrijke stap voorwaarts betekent voor de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten. Nickelaten kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals piëzo-elektrische transistors (reagerend op druk).

Algemener, het werk van Genève past in een strategie voor het produceren van kunstmatige materialen "by design, " d.w.z. met eigenschappen die voldoen aan een specifieke behoefte. Dit pad, die wordt gevolgd door vele onderzoekers over de hele wereld, belooft wat voor toekomstige energiezuinige elektronica.