Come le increspature in uno stagno, gli elettroni viaggiano come onde attraverso i materiali e, quando si scontrano e interagiscono, possono dare origine a modelli nuovi e interessanti. Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno visto un nuovo tipo di modello d'onda emergere in un sottile film di ossido metallico noto come titania quando la sua forma è confinata. Il confinamento, l'atto di limitare i materiali all'interno di un confine, può alterare le proprietà di un materiale e il movimento delle molecole attraverso di esso.
Nel caso della titania, ha causato l'interferenza degli elettroni tra loro in un modello unico, che ha aumentato la conduttività dell'ossido o il grado in cui conduce elettricità. Tutto questo è accaduto nella mesoscala, una scala in cui gli scienziati possono vedere sia gli effetti quantistici che il movimento di elettroni e molecole.
Questo lavoro offre agli scienziati maggiori informazioni su come atomi, elettroni e altre particelle si comportano a livello quantistico. Tali informazioni potrebbero aiutare a progettare nuovi materiali in grado di elaborare le informazioni ed essere utili in altre applicazioni elettroniche.
"Ciò che ha davvero distinto questo lavoro è stata la dimensione della scala che abbiamo studiato", ha detto l'autore principale Frank Barrows, uno studente laureato della Northwestern University nella Divisione di Scienza dei Materiali (MSD) di Argonne. "Indagare su questa scala di lunghezza unica ci ha permesso di vedere fenomeni davvero interessanti che indicano che c'è un'interferenza che si verifica a livello quantistico e allo stesso tempo ottenere nuove informazioni su come gli elettroni e gli ioni interagiscono".
Normalmente, quando una corrente elettrica viene applicata a un ossido come la titania, gli elettroni fluiscono attraverso il materiale in una semplice forma d'onda. Allo stesso tempo, anche gli ioni - o particelle cariche - si muovono. Questi processi danno origine alle proprietà di trasporto elettronico del materiale, come la conduttività e la resistenza, che vengono sfruttate nella progettazione di elettronica di prossima generazione. "Quello che abbiamo fatto nel nostro studio è stato cercare di capire come possiamo cambiare le proprietà dei materiali limitando la geometria o la forma del film", ha detto il co-autore Charudatta Phatak, scienziato dei materiali e leader del gruppo msd di Argonne.
In futuro, se i ricercatori potranno capire meglio cosa ha dato origine all'aumento della conduttività, potrebbero potenzialmente trovare modi per controllare le proprietà elettriche o ottiche e sfruttare queste informazioni per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Le intuizioni potrebbero anche essere utilizzate per espandere la nostra comprensione dei materiali che possono cambiare resistenza. La resistenza misura quanto un materiale resiste al flusso di elettroni in una corrente elettrica.
"I materiali di commutazione della resistenza sono interessanti perché possono essere portatori di informazioni: uno stato di resistenza può essere 0 e l'altro può essere 1", ha detto Phatak. "Quello che abbiamo fatto può darci un po' più di informazioni su come possiamo controllare queste proprietà usando confinamenti geometrici".