Een uniek materiaal verkennen met afstembare eigenschappen

Als je oud genoeg bent, heb je misschien nog een doos met cassettes of VHS-banden liggen. Deze opslagapparaten waren populair in de jaren 70 en 80, maar zijn sindsdien in onbruik geraakt en vervangen door cd’s en andere digitale media.

Nu kijken onderzoekers opnieuw naar chroomoxiden, magnetische chemische verbindingen die ooit werden gebruikt om de oppervlakken van dergelijke banden te coaten.

In een nieuwe studie gebruiken Scott Sayres en Jacob Garcia, onderzoekers van ASU’s Biodesign Center for Applied Structural Discovery en ASU’s School of Molecular Sciences, massaspectroscopie en ultrasnelle laserpulsen om chroomoxiden in ongekend detail te ondervragen.

“Het is bekend dat chroomoxiden echt opwindende magnetische en elektronische eigenschappen hebben”, zegt Sayres. “Het is een zeer uniek materiaal dat op moleculair niveau slecht wordt begrepen.” Een van de verrassende bevindingen van het huidige onderzoek is dat het toevoegen van zuurstofatomen aan chroomverbindingen hun metallische eigenschappen verhoogt en dat deze veranderingen zeer nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd.

De resultaten openen de deur naar een nieuw soort elektronica die binnenkort de kleinst mogelijke schaal kan bereiken, waardoor het mogelijk wordt om afstembare componenten van moleculair formaat te ontwerpen die de verwerkings- en opslagcapaciteit in nieuwe apparaten enorm kunnen vergroten.

De bevindingen, die in het huidige nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society (JACS), beschrijven het gedrag van clusters van chroomoxide-atomen, die kunnen worden afgesteld om hun elektrische geleiding te veranderen, die zich afwisselend gedragen als draadachtige geleiders van elektriciteit, halfgeleiders of isolatoren, afhankelijk van het aantal aanwezige zuurstofatomen.

Dergelijke innovaties maken deel uit van een voortdurende verandering in de elektronica die bekend staat als spintronica. Terwijl conventionele elektronische apparaten de stroom van elektrische lading regelen, maakt spintronica bovendien gebruik van spin, een kwantumeigenschap van elektronen, die mogelijk een veel grotere opslagcapaciteit en gegevensoverdrachtsnelheid mogelijk maakt.

Het basisidee vond eind jaren negentig zijn weg naar de eerste consumentenproducten in de vorm van magnetische harde schijven voor computers met honderden keren de opslagcapaciteit van hun voorgangers.

Chroomoxiden zijn bijzonder goed geschikt voor dergelijke toepassingen vanwege hun hoge spinpolariteit, een maat voor het bereik van geleidbaarheidstoestanden die de chroomclusters kunnen aannemen, gebaseerd op het aantal zuurstofatomen (of oxidatietoestand).

Chroomoxide, bekend als een halfmetaal, is een anorganische verbinding die bestaat uit zuurstof- en chroomatomen, die samen een kristalstructuur vormen. De term halfmetaal verwijst naar het feit dat de elektrische eigenschappen ervan kunnen veranderen tussen een hoog geleidend metaalgedrag en een laag geleidend isolatiegedrag, afhankelijk van de elektronenconfiguratie.

In het huidige onderzoek wordt een femtoseconde laser gebruikt als een camera om de beweging van elektronen in aangeslagen toestand te observeren, waarbij dynamische gebeurtenissen worden vastgelegd die plaatsvinden op een femtoseconde tijdschaal, of een miljoenste van een miljardste van een seconde. Terwijl zuurstofatomen aan de chroomclusters werden toegevoegd, werden de subtiele overgangen tussen isolerende en metallische geleidende eigenschappen waargenomen.

“We hebben geprobeerd om de kleinst mogelijke bouwstenen van chroomoxide te nemen en ze atoom voor atoom te veranderen”, zegt Sayres. De resultaten laten zien dat de bulkeigenschappen van chroomoxide tot op zeer kleine schaal nog steeds aanwezig zijn. “Dit betekent dat we nieuwe apparaten kunnen maken van zeer kleine hoeveelheden materiaal en nog steeds deze opwindende elektronische eigenschappen hebben waar chroomoxiden bekend om staan.”

Naast een nieuwe generatie bekende elektronische apparaten, kan op chroomoxide gebaseerde spintronica helpen de weg vrij te maken voor kwantumcomputers.