Pikotiedettä ja uusia materiaaleja

Tämä on alkuainekohtainen, STEM-mikroskopiakuva atomeista uudessa materiaalissa, jonka Yale on kehittänyt yhteistyössä Brookhavenin kansallisen laboratorion kanssa. Kuvassa on kerrostettuja arkkeja koboltti- ja titaaniatomeja.

Muutaman seuraavan vuosikymmenen vallankumoukselliset tekniikan löydöt, saattavat olla peräisin uusista materiaaleista, niin pienistä, että ne saavat nanomateriaalit näyttämään murtuneilta jättiläisiltä.

Nämä uudet materiaalit suunnitellaan ja jalostetaan pikometrien mittakaavassa, joka on tuhat kertaa pienempi kuin nanometri ja miljoona kertaa pienempi kuin mikrometri. Yalen yliopistossa aihetta kutsutaan termillä "pikoscience".

"Yalen tutkijat kehittävät uusia materiaaleja, jotka ovat pieniä, nopeita ja voivat toimia monilla tavoilla, kuten aivojen hermosolujen matkiminen, laskenta magneeteilla ja laskenta kvanttimekaniikalla", visioi vanhempi tutkija Frederick Walker, sovelletun fysiikan, mekaanisen tekniikan ja materiaalitieteen sekä fysiikan professori.

Tutkimusraportin vanhempi kirjoittaja Charles Ahn siirtää pikotutkimusta vielä yhteen suuntaan: ottaen elementtejä jaksollisesta taulukosta ja nipistäen niitä alle atomisen tason vääntäen niistä esiin uusia materiaaleja.

Jatko-opiskelija Sangjae Lee suunnitteli ja kasvatti uutta materiaalia, joka on keinotekoinen, kerrostettu kide, joka koostuu alkuaineista lantaani, titaani, koboltti ja happi.

Tutkijat kerrostivat alkuaineita atomitaso kerrallaan, niin että yhden atomin paksuiset titaanioksidilevyt siirtävät elektronin yhden atomin paksuisiin kobolttioksidilevyihin. Tämä muutti kobolttioksidilevyn elektronista konfiguraatiota ja magneettisia ominaisuuksia.

"Pystyimme manipuloimaan ainesosan atomeja tarkkuudella, joka on paljon pienempi kuin itse atomi", hehkuttaa Sangjae Lee. "Tämäntyyppiset uudet kiteet voivat muodostaa perustan uusien magneettimateriaalien kehittämiselle, joissa näin pienillä mitoilla herkkää tasapainoa magnetismin ja elektronisen johtavuuden välillä voidaan manipuloida uusissa, transistorien kaltaisissa laitteissa, joilla on suorituskykyetua nykypäivän transistoreihin nähden."

Käytännön tutkimuksia tehtiin National Synchrotron Light Source II -tutkimuslaitoksessa. Synkrotroni valolähde II on noin jalkapallokentän kokoinen laitteisto, joka kiihdyttää elektroneja lähes valon nopeuteen. Elektronit tuottavat erittäin kirkkaita röntgensäteitä, joita tutkijat hyödyntävät kokeissaan.

Uusien materiaalien suunnittelun ja kasvattamisen lisäksi Sangjae Lee karakterisoi niitä ja analysoi tuloksia. Teoreettiselta puolelta Yalen kollegat Alex Taekyung Lee ja Alexandru Georgescu käyttivät kvanttimekaanisia laskelmia selvittääkseen materiaalien rakenteen ja sen vaikutuksen sähköiseen kokoonpanoon. Tämän työn avulla ryhmä pystyi kuvaamaan materiaalien magneettisen tilan.

Yale on määritellyt kvanttimateriaalien kehittämisen ensisijaiseksi tutkimusalueekseen, ennakoiden niiden käyttöä uusissa laskentajärjestelmissä, jotka ylittävät huomattavasti nykypäivän tietokoneet.