‘Wiggling’ atomen kunnen leiden tot kleinere, efficiëntere elektronica

Onderzoekers van de Michigan State University hebben ontdekt hoe ze een snelle laser kunnen gebruiken om atomen te wiebelen op een manier die het gedrag van hun gastheermateriaal tijdelijk verandert. Hun nieuwe aanpak zou in de toekomst kunnen leiden tot kleinere en efficiëntere elektronica – zoals smartphones -.

Tyler Cocker, universitair hoofddocent aan het College of Natural Science, en Jose L. Mendoza-Cortes, een universitair docent in de hogescholen van engineering en natuurwetenschappen, hebben de experimentele en theoretische kanten van de kwantummechanica gecombineerd-de studie van de vreemde manieren die atomen gedragen op een zeer kleine schaal-om de grenzen te verbeteren van wat materialen kunnen doen om elektronische technologieën te verbeteren die we elke dag gebruiken. De bevindingen zijn gepubliceerd in het dagboek Natuurfotonica.

“Deze ervaring is een herinnering geweest aan hoe wetenschap echt is omdat we materialen hebben gevonden die werken op een manier die we niet hadden verwacht,” zei Cocker. “Nu willen we kijken naar iets dat technologisch interessant zal zijn voor mensen in de toekomst.”

Met behulp van een materiaal genaamd wolfraam ditelluride of wte₂die bestaat uit een laag wolfraam, of W -atomen, ingeklemd tussen twee lagen tellurium of TE -atomen, heeft het team van Cocker een reeks experimenten uitgevoerd waar ze dit materiaal plaatsten onder een gespecialiseerde microscoop die ze bouwden.

Hoewel microscopen meestal worden gebruikt om te kijken naar dingen die moeilijk zijn voor het menselijk oog om te zien, zoals individuele cellen, kan de scanning -tunnelingmicroscoop van Cocker individuele atomen op het oppervlak van een materiaal vertonen. Het doet dit door een extreem scherpe metalen punt over het oppervlak te verplaatsen, “gevoel” door een elektrisch signaal te “voelen”, zoals het lezen van braille.

Terwijl je naar de atomen op het oppervlak van WTE kijkt₂Cocker en zijn team gebruikten een supersnelle laser om Terahertz-pulsen van licht te creëren die met honderden triljoenen keren per seconde honderden triljoenen keren bewogen. Deze Terahertz -pulsen waren gefocust op de punt.

Bij de punt werd de sterkte van de pulsen enorm verhoogd, waardoor de onderzoekers de bovenste laag atomen direct onder de punt konden wiebelen en zachtjes duwen die uit de uitlijning van de resterende lagen eronder lag. Zie het als een stapel papieren met het bovenste vel enigszins krom.

Terwijl de laserpulsen de punt en WTE verlichtten₂de bovenste laag van het materiaal gedroeg zich anders en vertoonde nieuwe elektronische eigenschappen die niet werden waargenomen toen de laser werd uitgeschakeld. Cocker en zijn team realiseerden zich dat de Terahertz -pulsen, samen met de tip, konden worden gebruikt als een nanoschaalschakelaar om de elektrische eigenschappen van WTE tijdelijk te veranderen₂ Om de volgende generatie apparaten te verhogen. De microscoop van Cocker kon zelfs de atomen zien bewegen tijdens dit proces en de unieke “aan” en “uit” -staten van de schakelaar die ze hadden gecreëerd.

Toen Cocker en Mendoza-Cortes zich realiseerden dat ze werkten aan soortgelijke projecten vanuit verschillende perspectieven, verbond de experimentele kant van Cocker zich met Mendoza’s theoretische kant van de kwantummechanica. Het onderzoek van Mendoza-Cortes richt zich op het maken van computersimulaties. Door de resultaten van de kwantumberekeningen van Mendoza te vergelijken met de experimenten van Cocker, leverden beide laboratoria dezelfde resultaten op – onafhankelijk en door verschillende tools te gebruiken.

“Ons onderzoek is complementair; het zijn dezelfde observaties, maar door verschillende lenzen,” zei Mendoza-Cortes. “Toen ons model overeenkwam met dezelfde antwoorden en conclusies die ze in hun experimenten hebben gevonden, hebben we een beter beeld van wat er aan de hand is.”

Het Lab van Mendoza ontdekte computationeel dat de lagen van WTE₂ Verschuiving door 7 picometers terwijl ze wiebelen, wat moeilijk te observeren is door de gespecialiseerde microscoop alleen. Ze waren ook in staat om te bevestigen dat de frequenties waarbij de atomen wiebelen tussen het experiment en de theorie, maar de kwantumberekeningen kunnen zien welke manier ze wiebelen en met hoeveel.

“De beweging vindt alleen plaats op de bovenste laag, dus het is zeer gelokaliseerd”, zegt Daniel Maldonado-Lopez, een vierdejaars afgestudeerde student in het laboratorium van Mendoza. “Dit kan mogelijk worden toegepast bij het bouwen van sneller en kleinere elektronica.”

Cocker en Mendoza-Cortes hopen dat dit onderzoek zal leiden tot het gebruik van nieuwe materialen, lagere kosten, snellere snelheden en meer energie-efficiëntie voor toekomstige telefoons en computertechnologie.

“Als je denkt aan je smartphone of je laptop, zijn alle componenten die daar zijn gemaakt van een materiaal,” zei Stefanie Adams, een vierdejaars afgestudeerde student in Cocker’s Lab. “Op een gegeven moment besloot iemand dat het materiaal is dat we gaan gebruiken.”