Die Entdeckung von Phasenübergängen öffnet die Tür zu neuer Elektronik

Einfach erklärt: Physik-Nobelpreis 2016 - Topologische Phasenübergänge | EXTRA | Phil's Physics (Juli 2019).

Anonim

Eine Gruppe europäischer Wissenschaftler, die von Forschern der TU Delft geleitet wurde, hat herausgefunden, wie sich Phasenübergänge in Materialien, die als Nickelate bezeichnet werden, ausbreiten. Die Entdeckung verbessert unser Verständnis dieser neuartigen Materialien, die möglicherweise in der zukünftigen Elektronik verwendet werden können.

Wenn Sie Wasser kochen, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass Blasen zuerst an den Rändern erscheinen. Phasenübergänge entstehen immer dort, wo die Bedingungen am günstigsten sind, an sogenannten Nukleationszentren. Im Falle des Wassers sind die Nukleationszentren die Ränder des Topfes. Wie Nukleationszentren auf der Nanoskala erscheinen, ist jedoch bisher unbekannt.

Giordano Mattoni, ein Doktorand an der TU Delft, führte eine Kollaboration von Wissenschaftlern aus fünf verschiedenen europäischen Institutionen durch, um ein grundlegendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich Phasenübergänge in einer neuen Klasse von Festkörpermaterialien, den Nickelaten, ausbreiten. In der spezifischen Art von Nickelat, die Mattoni und seine Kollegen erforscht haben, ist der Phasenübergang zweifach. Wenn sich die Temperatur des Materials ändert, ändern sich sowohl die elektronischen als auch die magnetischen Eigenschaften der Materialien.

Die Tatsache, dass der Phasenübergang in diesem Material zweifach ist, war bereits bekannt. Bisher war jedoch unklar, wie der Übergang erfolgte und welche Faktoren den Prozess im Nanobereich beeinflussten. Mit präzisem Röntgenlicht als Vergrößerungswerkzeug für ihre Mikroskopie konnten Mattoni und seine Kollegen beobachten, wie der Festkörperübergang vom metallischen in den isolierenden Zustand in Echtzeit stattfand. Sie fanden heraus, dass beim Abkühlen des Materials allmählich isolierende Nano-Domänen auftauchen, bis das Material mit winzigen, isolierenden Streifen bedeckt ist. "Ohne eine solche hochauflösende Mikroskopie wäre es unmöglich gewesen, diese Domänen zu sehen", sagt Mattoni.

Für ihre Forschung haben Mattoni und Kollegen den Nickel-Dünnfilm auf einem Substrat abgelagert. Die Art und Weise, in der das Material von Metall zu Isolator überging, hing mit der Form der Substratoberfläche zusammen, die in diesem Fall wie eine Reisterrasse aussah. Wenn die Oberfläche beispielsweise quadratische Löcher hätte, hätten die Domänen die Form von Quadraten gehabt. "Und da wir die Substratoberfläche formen können, können wir die Form der isolierenden Domänen beeinflussen", sagt Mattoni.

Weitere Forschung von Mattoni wird die Verwendung eines Lasers beinhalten, um das Material zu zwingen, die Phase fast sofort zu wechseln. Die Idee ist, Nanostrukturen zu haben, in denen Magnetismus und Leitfähigkeit fast augenblicklich ein- und ausgeschaltet werden können. Mögliche zukünftige Elektronik könnte beispielsweise Nickelat-Strukturen als lichtgesteuerte ultraschnelle Transistoren verwenden. Auf lange Sicht könnte diese Entdeckung sogar zu einer Elektronik führen, die neuronale Netzwerke im menschlichen Gehirn nachahmt.

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