Skiriamoji erdvė tarp dviejų skirtingų medžiagų pasižymi unikaliomis sąvybėmis

Elektronui judant iš vienos medžiagos į kitą, riba skirianti medžiagas yra vieta, kur elektronai gali jungtis ir formuoti srovę, čia gali pasireikšti magnetizmas arba optinės medžiagos savybės.

Daugiainstitucinė mokslininkų grupė atliko fundamentinius skiriamųjų paviršių tarp dviejų oksido medžiagų tyrimus. Grupė, vadovaujama Viskonsino Madisono (Wisconsin-Madison) universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesoriaus Chang-Beom Eomo, sugalvojo būdą manipuliuoti oksido skiriamąjame paviršiuje esančiais elektronais, įterpiant vieno atomo sluoksnį. Mokslininkai taip pat stebėjo keistą elektronų elgesį dirbtinai sukurtame paviršiuje.

Jų darbas yra atspausdintas „Science“ žurnale. Gauti rezultatai leis toliau nagrinėti bei kurti skiriamuosius medžiagų paviršius su įvairiausiomis savybėmis.

Tyrime buvo naudotas tiksliai išaugintas stroncio titanatas, kuris yra oksido rūšis. Oksiduose vienas iš sudėtinių elementų yra deguonis. Tarp dviejų išauginto oksido medžiagų mokslininkai įterpė vieno atomo storio sluoksnį, kuriame naudojo vieną iš penkių retųjų žemių elementų, kurie yra plačiai naudojami elektronikos pramonėje.

Mokslininkai atrado, kad retųjų žemių elemento sluoksnis sukuria elektronų dujas, kurios pasižymėjo įdomiomis savybėmis. Iš tikrųjų dujos veikė kaip elektronų skystis, kadangi elektronų judėjimas buvo susietas, koreliuotas, skirtingai nei būdinga dujų dalelėms.

„Jei jūs turite dvi medžiagas su skirtingomis savybėmis ir jūs sujungiate šias medžiagas, tai skiriamąjame paviršiuje bus galima stebėti kažką nepaprasto“, – pasakė Eomas.

Atliktas eksperimentas pirmą kartą pademonstravo stiprią elektronų koreliaciją oksido skiramąjame paviršiuje. Elektronai pasižymėjo skirtingomis savybėmis, priklausomai nuo naudojamo retųjų žemių elemento. Medžiagos, pasižyminčios didesniu jono spinduliu, tokios kaip lantanas, neodimis ar prazeodimis, yra laidininkai. Tuo tarpu turinčios mažesnį spindulį, tai yra samaris ir itris, pasižymi izoliacinėmis savybėmis.

Izoliacinėmis savybėmis pasižymintys elementai sudaro elektronų dujas, kurios gali būti sulygintos su klampiu skysčiu, pavyzdžiui medumi. Didesnis klampumas reiškia, kad elektronai negali laisvai judėti. Medžiaga nelinkusi praleisti elektros srovę. Medžiagos, pasižyminčios laidumu, suformuoja elektronų dujas, kurios gali būti palygintos su skysčiu, panašiu į benziną. Klampumas yra mažesnis ir elektronai gali laisvai judėti ir pernešti krūvį.

Iki savo darbo pradžios mokslininkai žinojo, kad elektronai kaupiasi skiriamajame paviršiuje, bet buvo sunku įsivaizduoti visą jų sąveikos sudėtingumą.

Elektronų dujų elgesio panašumas į skystį gali atverti visiškai naują tyrimų sritį bei pritaikymo galimybes, kurios leis panaudoti elektronų sąveikos ypatumus. Eomas su grupe išvystė ir tokį elektronų elgesį aiškinančius bazinius principus. Todėl jų darbas gali būti panaudotas kuriant ne tik skiriamuosius paviršius, pasižyminčius laidumo ar izoliacinėmis savybėmis, bet ir magnetinėmis ar optinėmis charakteristikomis.

Ir prieš šiuos tyrimus buvo domimasi puslaidininkių skiriamaisiais paviršiais. Eomo grupė yra pirmoji, kuri susidomėjo oksidų skiriamaisiais paviršiais, siekdami valdyti laidumo būsenas, naudodami vieno atomo sluoksnius. Oksidai sudaro savitą medžiagų grupę, kurioje yra milijonai junginių, kurių kiekvienas pasižymi unikaliomis savybėmis. Mokėjimas veikti įvairių oksidų skiriamuosius paviršius, gali duoti pradžią naujos kartos medžiagoms, elektronikai ar kitiems prietaisams.

„Šis pasiekimas gali būti svarbus ne tik fizikai, bet ir medžiagų mokslui ar chemijai, – mano Eomas. – Žmonės savo darbe galės pasinaudoti idėja, kad vieno atomo sluoksnio skiriamasis paviršius gali būti panaudotas kuriant medžiagas, pasižyminčias įvairiausiomis savybėmis“.