Door het nanoschaal kijkglas: Bepaling van de bosonpiekfrequentie in ultradun aluminiumoxide

Glas is meer dan op het eerste gezicht lijkt.

Brillen, ongeordende materialen zonder chemische orde op lange afstand, hebben een aantal mysterieuze eigenschappen die al tientallen jaren raadselachtig zijn.

Hiertoe behoren de abnormale vibratietoestanden die bijdragen aan de warmtecapaciteit bij lage temperatuur. Vroege onderzoekers stelden vast dat deze staten de Bose-Einstein-statistieken gehoorzamen, en de naam is blijven hangen, dus tegenwoordig staat deze functie bekend als de bosonpiek.

Het is algemeen aanvaard dat deze vibratietoestanden ontstaan ​​door het verval van bosonische fononachtige quasideeltjes in de sterk ongeordende glasomgeving.

Recent samenwerkingswerk tussen FLEET-partners, de Universiteit van Wollongong, RMIT en ANSTO, heeft de frequentie van de bosonpiek in de dichtheid van toestanden van ultradun aluminiumoxide met een dikte van 2 nanometer onthuld.

Amorf aluminiumoxide is een belangrijk glas, gebruikt in de elektronica-industrie als diëlektrische laag, en binnen de opkomende quantumcomputersector waar het de rol speelt van de barrière in een Josephson-barrièreovergang.

Maar verrassend genoeg blijven veel van de fundamentele eigenschappen van aluminiumoxide onbekend omdat het thermodynamisch onstabiel is op macroschaal.

Het UoW / RMIT-team heeft dit probleem overwonnen door zich te concentreren op glazen op nanoschaal, in de context van kernschildeeltjes van een aluminiumbol gewikkeld in een dunne huid van zijn oorspronkelijke aluminiumoxide. Je kunt het je voorstellen als een hardgekookt ei, met een interne aluminium vaste “dooier” omgeven door een dunne, externe aluminiumoxide schaal.

Gewapend met deze nieuwe (en licht explosieve) monsters, zetten ze neutronspectroscopie in bij ANSTO – een van de FLEET-partnerorganisaties – om de roostertrillingen in de kerndeeltjes te meten.

Door verschillende deeltjesgroottes te bestuderen, werd de relatieve verhouding van de kern: schaal gevarieerd om de groep in staat te stellen de bijdragen van het “dooier” -aluminium en van de alumina “schaal” te scheiden.

Met behulp van de kleine deeltjes om het oppervlaktecontrast te verbeteren, onthulde de groep een THz-frequentiefunctie voor de bosonpiek die in goede overeenstemming is met theoretische berekeningen.

“Ik was verheugd om de match te zien tussen de moleculaire dynamica van de Cole-groep en ons neutronenexperiment”, zegt hoofdauteur David Cortie. “Ons vermogen om de trillings- en elektronische eigenschappen van ultradunne materialen en hetero-interfaces te voorspellen, wordt jaar na jaar beter.”

Omdat trilvibraties een belangrijke bron van dissipatie in elektronica zijn, zijn de nieuwe metingen nuttig om methoden te identificeren om de warmteoverdracht door ultradun aluminiumoxide te regelen. Dit heeft ook een aantal andere verrassende implicaties buiten de elektronica, omdat de volgende generatie ruimtevaartuigen voor Mars-expedities mogelijk aluminium / aluminiumbrandstoffen zullen gebruiken als het probleem van de warmteoverdracht kan worden verminderd.

In een aparte ontwikkeling vond de groep ook duidelijk bewijs voor waterstof in de vorm van H2O- en hydroxylgroepen die rondslingeren op het oppervlak van het aluminiumoxide, en rapporteerde een procedure om deze natuurlijke oppervlaktedefecten te verwijderen met behulp van een warmtebehandelingsprocedure.

“We waren niet van plan om waterstof te bestuderen”, zegt hoofdredacteur Jared Cole, “Het feit dat we het zo duidelijk waarnamen, kan echter behoorlijk serendipitous zijn. Waterstof is een belangrijke oppervlakte-onzuiverheid in quantum-supergeleidende circuits en experimenten zoals deze zijn een handige manier om te leren hoe het zich gedraagt ​​en hoe het de effecten ervan kan verzachten. “

Normaal gesproken is waterstof bijna onzichtbaar voor standaardtechnieken, maar neutronen verspreiden zich tien keer sterker uit waterstof dan andere elementen omdat ze interageren via nucleaire krachten in plaats van elektromagnetische interacties. Bij ultra-lage temperaturen is quantumtunneling van waterstof in systemen met twee niveaus een kandidaat om de bron van decoherentie in toonaangevende quantumcomputerschema’s uit te leggen.

De studie, “Boson-piek in ultradunne aluminiumoxidelagen onderzocht met neutronenspectroscopie”, werd gepubliceerd in Physical Review Research.