Onderzoekers beantwoorden belangrijke vraag over elektronentoestanden

Wetenschappers werken er hard aan om de eigenschappen van nanostructuren, zoals atomen en moleculen, te ontwikkelen om efficiënte logische apparaten te realiseren die kunnen werken op de fundamentele schaal van materie – de schaal van atomen. Om ‘engineering’ op die schaal mogelijk te maken, moeten onderzoekers kunnen kijken naar de interne structuur van een atoom, de zogenaamde orbitale structuur, waar elektronen zijn opgesloten in een reeks schillen.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in ACS Nano, heeft het onderzoek onder leiding van QNS een ongekend resultaat opgeleverd: identificeren hoe elektronen zijn verdeeld over de orbitalen van atomen en nanostructuren. Met behulp van eersteklas röntgengeneratoren, synchrotrons genaamd, in Spanje, Zwitserland en Korea, identificeerde het team een ​​methode om de eigenschappen van hun elektronen te onderscheiden, afhankelijk van hun baan.

“We waren er niet zeker van of we echt genoeg gevoeligheid zouden hebben om al deze atomaire orbitalen afzonderlijk in zulke kleine structuren te onderzoeken”, zegt prof. Fabio Donati, de hoofdonderzoeker van QNS. “Dit resultaat bleek een nieuwe manier om het gedrag van deze atomen te onthullen en mogelijk de engineering van hun eigenschappen te sturen om toekomstige apparaten op atomaire schaal te realiseren”.

Voor deze studie concentreerden de onderzoekers zich op lanthanide-elementen – de extra rij onderaan het periodiek systeem. Deze elementen worden momenteel onderzocht als potentiële magneten op atomaire schaal om klassieke of kwantumbits te realiseren voor toekomstige logische en geheugenopslagapparaten. Door ze voor dit doel te kunnen gebruiken, kan technologie op de kleinst beschikbare schaal werken, wat een enorm potentieel biedt op het gebied van miniaturisatie.

Een uniek kenmerk van deze elementen is dat hun belangrijkste elektronen, namelijk degenen die het grootste deel van de magnetisatie van het atoom leveren, gelokaliseerd zijn in specifieke orbitalen (genaamd 4f) die diep in de atomen verborgen zijn. Daarom is het moeilijk om een ​​elektrische stroom te gebruiken om ze te detecteren, wat problemen zou kunnen opleveren voor hun integratie in elektronische apparaten.

Wetenschappers proberen vast te stellen of elektronen van meer externe en elektrisch toegankelijke orbitalen kunnen worden gebruikt als uitleeskanaal in plaats van de meer verborgen elektronen. “We moesten een techniek vinden die de elektronen in deze atomen kon meten, letterlijk orbitaal voor orbitaal, om erachter te komen hoe ze samenwerken en bijdragen aan de magnetische eigenschappen van het atoom”, zegt Dr. Aparajita Singha van wie het onderzoek begon als een postdoc. bij QNS en leidt nu een groep bij het Max Planck Institute for Solid State Research.

Het experiment werd uitgevoerd met zeer lage temperaturen (-270 ° C) om de lanthanide-atomen “bevroren” te houden op hun ondersteunende substraat, dat een film van magnesiumoxide is. Het was nodig om zeer hoge magnetische velden te gebruiken – 100.000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld – om de lanthanide-atomen te magnetiseren en de eigenschappen van hun elektronen te meten. De onderzoekers gebruikten de röntgenstraling om elektronen heel dicht bij de kern te raken en ze te prikkelen naar de doelorbitalen die ze wilden waarnemen. “Hoewel bekend was dat deze benadering werkte voor kristallen die zijn samengesteld uit een grote verzameling atomen, was het een grote open vraag of individuele orbitalen konden worden gemeten in geïsoleerde atomen”, aldus Donati. “Je kunt je voorstellen hoe spannend het was om tijdens de metingen de eerste gegevens op het scherm te zien verschijnen. Pas toen realiseerden we ons dat er geen theorie klaar was om onze resultaten te verklaren. Er was nog veel werk aan de winkel.”

In vergelijking met de fase van het verzamelen van gegevens, waarvoor slechts enkele weken metingen nodig waren, hielden de analyse en de ontwikkeling van een interpretatief model de wetenschappers enkele maanden bezig. Met behulp van deze combinatie van experiment-eindtheorie konden de onderzoekers vaststellen hoe de elektronen waren verdeeld over de atomaire orbitalen. “We zijn van mening dat het kennen van de structuur van deze atomen, orbitaal voor orbitaal, nieuwe aanwijzingen zal geven om de eigenschappen van toekomstige apparaten, zoals kwantumcomputers en ultradichte magnetische harde schijven, te ontwikkelen”, concludeerde Donati.