Natuurkundigen van de Indiana University en de University of Tennessee hebben de code gekraakt om microchips kleiner te maken, en de sleutel is helium.

Microchips zijn overal, ze draaien op computers en auto's en helpen zelfs mensen om verloren huisdieren te vinden. Naarmate microchips kleiner en sneller worden en in staat zijn om meer dingen te doen, moeten de draden die elektriciteit naar hen geleiden, volgen. Maar er is een fysieke limiet aan hoe klein ze kunnen worden, tenzij ze anders zijn ontworpen.

"In een traditioneel systeem worden de draden kleiner naarmate je meer transistors plaatst", zegt Paul Sokol, een professor aan het IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Physics. "Maar onder nieuw ontworpen systemen is het alsof je de elektronen opsluit in een eendimensionale buis, en dat gedrag is heel anders dan bij een gewone draad."

Om het gedrag van deeltjes onder deze omstandigheden te bestuderen, werkte Sokol samen met een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Tennessee, Adrian Del Maestro, om een ​​modelsysteem te creëren van elektronica verpakt in een eendimensionale buis.

Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

Het paar gebruikte helium om een ​​modelsysteem voor hun studie te maken, omdat de interacties met elektronen bekend zijn en het extreem zuiver kan worden gemaakt, zei Sokol. Er waren echter problemen met het gebruik van helium in een eendimensionale ruimte, de eerste was dat niemand het ooit eerder had gedaan.

'Zie het als een auditorium,' zei Sokol. “Mensen kunnen zich op veel verschillende manieren bewegen. Maar in een lange, smalle hal kan niemand langs iemand anders lopen, waardoor gedrag anders wordt. We onderzoeken dat gedrag waarbij iedereen op een rij zit. Het grote voordeel van door een heliummodel te gebruiken, kunnen we van heel weinig mensen in de hal gaan naar een volle zaal. Met dit systeem kunnen we het hele scala aan natuurkunde verkennen, wat geen enkel ander systeem ons toelaat."

Het creëren van een eendimensionaal heliummodelsysteem stelde de onderzoekers ook voor veel andere uitdagingen. Als ze probeerden een buisje te maken dat klein genoeg was om bijvoorbeeld het helium te bevatten, was het te moeilijk om metingen te doen.

Het was ook onmogelijk om technieken te gebruiken zoals neutronenverstrooiing, een krachtige methode waarbij een reactor of versneller wordt gebruikt die een bundel neutronen genereert om gedetailleerde informatie te verzamelen over het gedrag van deeltjes in een eendimensionaal systeem.

Aan de andere kant konden ze zeer lange buizen maken met behulp van gespecialiseerde glazen die rond sjabloonmoleculen waren gegroeid, maar de gaten waren niet groot genoeg om het helium tot één dimensie te beperken.

"Je moet letterlijk een pijp maken die maar een paar atomen breed is", zei Del Maestro. "Geen enkele normale vloeistof zou ooit door zo'n smalle pijp stromen, omdat wrijving dit zou voorkomen."

Om deze uitdaging op te lossen, heeft het team een ​​materiaal nano-ontworpen door glazen met eendimensionale kanalen te nemen en deze te plateren met argon om het oppervlak te coaten en een kleiner kanaal te maken. Ze zouden dan monsters kunnen maken die veel helium bevatten en het gebruik van technieken zoals neutronenverstrooiing ondersteunen om gedetailleerde informatie over het systeem te krijgen.

Met de experimentele realisatie van eendimensionaal helium hebben Del Maestro en Sokol een belangrijke nieuwe weg geopend voor dit onderzoek.

Vervolgens is het team van plan om dit nieuwe modelsysteem te gebruiken om helium te bestuderen bij hoge dichtheden - vergelijkbaar met elektronen in een dunne draad - en lage dichtheden - vergelijkbaar met eendimensionale arrays van atomen die worden gebruikt in de kwantuminformatiewetenschap.

Ze zijn ook van plan andere nano-engineered materialen te ontwikkelen, zoals cesium-gecoate poriën waar het helium het cesium-oppervlak niet bevochtigt. Dit zou de interacties van het opgesloten helium met de buitenwereld verder verminderen en een meer ideaal systeem bieden om nieuwe theorieën uit te dagen. + Verder verkennen

Verrassend gedrag van hybride materie:antimaterie-atomen in supervloeibaar helium