Wetenschappers werken er hard aan om de eigenschappen van nanostructuren te ontwikkelen, zoals atomen en moleculen, om efficiënte logische apparaten te realiseren die kunnen werken op de fundamentele schaal van materie - de schaal van atomen. Om "engineering" op die schaal mogelijk te maken, onderzoekers moeten kunnen kijken naar de interne structuur van een atoom, de zogenaamde orbitale structuur, waar elektronen zijn opgesloten in een reeks schillen.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in ACS Nano , het onderzoek onder leiding van QNS bereikte een ongekend resultaat:identificeren hoe elektronen zijn verdeeld over de orbitalen van atomen en nanostructuren. Met behulp van eersteklas röntgengeneratoren, synchrotrons genoemd, gevestigd in Spanje, Zwitserland, en Korea, het team identificeerde een methode om de eigenschappen van hun elektronen te onderscheiden, afhankelijk van hun orbitaal.

"We waren er niet zeker van of we echt genoeg gevoeligheid zouden hebben om al deze atomaire orbitalen afzonderlijk in zulke kleine structuren te onderzoeken", zegt prof. Fabio Donati, de hoofdonderzoeker van QNS. "Dit resultaat bleek een nieuwe manier om het gedrag van deze atomen te onthullen en mogelijk de engineering van hun eigenschappen te sturen om toekomstige apparaten op atomaire schaal te realiseren".

Voor deze studie is de onderzoekers concentreerden zich op lanthanide-elementen - de extra rij onderaan het periodiek systeem. Deze elementen worden momenteel onderzocht als potentiële magneten op atomaire schaal om klassieke of kwantumbits te realiseren voor toekomstige logische en geheugenopslagapparaten. Door ze voor dit doel te kunnen gebruiken, zou technologie op de kleinst mogelijke schaal kunnen werken, met een enorm potentieel op het gebied van miniaturisatie.

Een uniek kenmerk van deze elementen is dat hun belangrijkste elektronen, namelijk degenen die het grootste deel van de magnetisatie van het atoom leveren, zijn gelokaliseerd in specifieke orbitalen (genaamd 4f) die diep in de atomen verborgen zijn. Daarom, het is moeilijk om een ​​elektrische stroom te gebruiken om ze te voelen, die problemen kunnen opleveren voor hun integratie in elektronische apparaten.

Wetenschappers proberen vast te stellen of elektronen van meer externe, en elektrisch toegankelijk, orbitalen kunnen worden gebruikt als uitleeskanaal in plaats van de meer verborgen elektronen. "We moesten een techniek vinden die de elektronen in deze atomen kon meten, letterlijk orbitaal door orbitaal, om erachter te komen hoe ze samenwerken en bijdragen aan de magnetische eigenschappen van het atoom", zegt dr. Aparajita Singha, die het onderzoek begon als postdoc bij QNS en nu een groep leidt bij het Max Planck Institute for Solid State Research.

Het experiment werd uitgevoerd met zeer lage temperaturen (-270 ° C) om de lanthanide-atomen "bevroren" op hun ondersteunende substraat te houden, dat is een film van magnesiumoxide. Het was nodig om zeer hoge magnetische velden te gebruiken - 100, 000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld - om de lanthanide-atomen te magnetiseren en de eigenschappen van hun elektronen te meten. De onderzoekers gebruikten de röntgenstraling om elektronen heel dicht bij de kern te raken en ze te prikkelen naar de doelorbitalen die ze wilden waarnemen. "Hoewel bekend was dat deze benadering werkte voor kristallen die zijn samengesteld uit een grote verzameling atomen, Of individuele orbitalen in geïsoleerde atomen konden worden gemeten, was een grote open vraag", aldus Donati. "Je kunt je voorstellen hoe opwindend het was om tijdens de metingen de eerste gegevens op het scherm te zien verschijnen. Pas toen realiseerden we ons dat er geen theorie klaar was om onze resultaten te verklaren. Er was nog veel werk aan de winkel."

Vergeleken met de fase van het verzamelen van gegevens, waarvoor slechts enkele weken metingen nodig waren, de analyse en de ontwikkeling van een interpretatief model hielden de wetenschappers enkele maanden bezig. Met behulp van deze combinatie van experiment en theorie, de onderzoekers konden identificeren hoe de elektronen waren verdeeld over de atomaire orbitalen. "Wij geloven dat het kennen van de structuur van deze atomen, orbitaal door orbitaal, zal nieuwe aanwijzingen geven om de eigenschappen van toekomstige apparaten te ontwikkelen, zoals kwantumcomputers en ultradichte magnetische harde schijven", concludeerde Donati.