Sähköisten ominaisuuksien hallitseminen atomitasolla

Kiinan tiedeakatemian metallitutkimuslaitoksen (IMR) tutkijat ovat venyttäneet kulta-atomien ketjua ennätykselliset 46 %, mikä tarjoaa suoraa näyttöä siitä, miten metallien perustavanlaatuiset sidokset käyttäytyvät äärimmäisen muodonmuutoksen alaisena.

Tämä tutkimus paljastaa myös, miten atomitason rakenteelliset muutokset vaikuttavat sähköiseen kuljetukseen. Työ keskittyikin kulta-atomiketjuihin – perimmäisiin yksiulotteisiin rakenteisiin, joissa atomit ovat liittyneet yhteen riviin.

Tutkijat venyttivät näitä atomaarisen ohuita lankoja huolellisesti aberraatiokorjatulla korkean resoluution läpäisyelektronimikroskoopilla ja samalla tarkkailivat niiden rakenteellisia muutoksia atomitasolla puhtaassa ja kontaminaatiovapaassa ympäristössä.

Tulokset paljastavat dramaattisen ja epälineaarisen käyttäytymisen. Vaikka sidosten pituudet venyivät tasaisesti pienillä venymillä, yli 12 %:n venymä laukaisi merkittävän muutoksen.

Sidosten pituudet eivät enää pidentyneet tasaisesti. Sen sijaan niillä oli "diskreetti" tai porrasmainen venymäkuvio, jolle on ominaista vuorottelevat lyhyet ja pitkät sidokset, konfiguraatio, joka tunnetaan dimerisaationa.

Silmiinpistävää kyllä, tämä äärimmäinen rakenteellinen muutos vaikutti syvästi sähkönjohtavuuteen. Jännityksen kasvaessa elektronien virtaus atomiketjun läpi muuttui asteittain. Se laski tunnetuista kokonaislukujen kvanttijohtavuuden arvoista osittaislukujen kvanttiarvoihin. Lopulta suurimpien jännitysten alla ketjusta tuli eristävä.

Suora korrelaatio tiettyjen atomikonfiguraatioiden (sidospituuksien) ja erillisten kvanttijohtavuustilojen välillä luo uuden periaatteen sähköisten ominaisuuksien hallitsemiseksi atomitasolla.

Tämän venymäohjatun kvanttijohtavuuden kytkentämekanismin löytäminen avaa uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven elektronisten laitteiden suunnittelulle. Se tarjoaa perustavanlaatuisen konseptin ultraminiatyrisoitujen komponenttien, kuten atomitason kytkimien, muistielementtien (memristorien) ja kvanttipistekontaktien, kehittämiselle.

Tämä innovaatio voisi edistää kehitystä eri aloilla aina suuren tiheyden datan tallennuksesta kvanttilaskentaan.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiarvesta nanokytkin tai transistori?

Miten aurinkoa kuumemmat materiaalit johtavat sähköä