Järjestyksen löytäminen epäjärjestyksestä

Vuosikymmenten ajan on yleisesti uskottu, että elektronit liikkuvat tehokkaimmin puhtaissa ja hyvin järjestäytyneissä materiaaleissa.

Äskettäin tehty tutkimus kuitenkin osoittaa, että myös päinvastoin voi olla totta. Eteläkorealaisen POSTECHin tutkimusryhmä on havainnut, että keinotekoinen häiriö voi itse asiassa parantaa elektronien kuljetusta.

Tutkijat selvittivät ilmiötä, joka tunnetaan poikittaisena elektronin kuljetuksena, jossa sähköjännite syntyy kohtisuorassa käytetyn virran tai lämpötilagradientin suuntaan nähden.

Magneettisten materiaalien, kuten anomaalisten Hallin ja Nernstin efektien, poikittainen elektronin kulkeutuminen on lupaava tekijä spintronisissa ja termoelektrisissä sovelluksissa.

Tähän asti vahvan poikittaiskuljetuksen saavuttamisen on yleisesti ajateltu vaativan eksoottisia kvanttimateriaaleja tai erittäin korkealaatuisia yksittäiskiteitä, joissa on hyvin vähän virheitä.

Sen sijaan tutkimusryhmä valitsi toisenlaisen lähestymistavan. He yhdistivät fyysisesti kaksi magneettista materiaalia säilyttäen samalla kunkin komponentin erilliset ominaisuudet. Tuloksena oleva komposiitti sisälsi samanaikaisesti amorfisia (epäjärjestäytyneitä) ja kiteisiä alueita.

Yllättäen elektronien poikittainen kuljetus tässä sekarakenteessa voimistui merkittävästi verrattuna kummankaan materiaalin yksinään aikaansaamiin vaikutuksiin.

Avain piilee siinä, miten elektronit liikkuvat komposiittimateriaalin läpi. Suorien kulkureittien sijaan elektronit seuraavat monimutkaisia ratoja kulkiessaan alueiden läpi, joilla on erilaiset rakenteelliset ja elektroniset ominaisuudet. Kun niiden liike toistuvasti taittuu näillä alueilla navigoitaessa, niiden liikkeen sivuttaiskomponentti vahvistuu, mikä johtaa voimakkaampaan poikittaiseen kuljetukseen.

Tulokset kyseenalaistavat materiaalitieteen pitkäaikaisen oletuksen, jonka mukaan komposiittimateriaalien ominaisuudet heijastavat yksinkertaisesti niiden sisältämien komponenttien keskiarvoa. Sen sijaan tutkimus osoittaa, että tapa, jolla eri materiaalit integroidaan rakenteellisesti, voi itsessään tuottaa täysin uusia fysikaalisia vaikutuksia.

”Tämä työ avaa tien korkean suorituskyvyn materiaalien suunnitteluun ilman harvinaisten kvanttimateriaalien käyttöä”, sanoo tutkimuksen vastaava kirjoittaja, professori Hyungyu Jin. ”Konsepti voisi johtaa uusiin mahdollisuuksiin spintroniikassa ja termoelektrisessä energianmuunnostekniikassa.”

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat havaitsivat korreloitujen häiriöiden lisäävän suprajohtavuutta

Täydellisen epätäydellinen: Materiaalien epäjärjestys ja nopea akkulataus