Wissenschaftler rennen, um neue Materialien für Quantentechnologien bei der Berechnung und Erfindung für ultraprepreziziale Messungen zu entwickeln. Damit diese zukünftigen Technologien vom Labor zu realen Anwendungen übergehen können, ist das Verhalten in der Nähe von Oberflächen, insbesondere an Schnittstellen zwischen Materialien, ein viel tieferes Verständnis erforderlich.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US Department of Energy (DOE) haben eine neue Technik vorgestellt, die dazu beitragen könnte, die Entwicklung der Quantentechnologie zu fördern. Ihre Innovation, oberflächenempfindliche spintronische Terahertz-Spektroskopie (SSTS), bietet einen beispiellosen Blick darauf, wie sich Quantenmaterial an Schnittstellen verhalten.
„Diese Technik ermöglicht es uns, Oberflächenphononen zu untersuchen – die kollektiven Schwingungen von Atomen an der Oberfläche oder Grenzfläche eines Materials zwischen Materialien“, sagte Zhaodong Chu, ein Postdoktorandforscher bei Argonne und Erstautor der Studie. ? „Unsere Ergebnisse zeigen auffällige Unterschiede zwischen Oberflächenphononen und denen im Schüttgut und öffnen neue Wege für Forschung und Anwendungen.“
In Materialien wie Kristallen bilden Atome wiederholende Muster, die als Gitter bezeichnete Mustern bilden, die in Wellen vibrieren können, die als Phononen bezeichnet werden. Während Phononen im Schüttgut viel über Oberflächenphononen bekannt sind – diejenigen, die innerhalb von Nanometern einer Grenzfläche auftreten. Die Forschung des Teams zeigt, dass sich Oberflächenphononen unterschiedlich verhalten und ein einzigartiges Quantenverhalten wie Grenzflächen -Superkongressivität ermöglichen.
Die Supraleitung, das Phänomen der ohne Widerstand fließenden Elektronen, hat Anwendungen in Technologien wie MRT -Maschinen und Partikelbeschleunigern. Grenzflächen -Superkongressivität – ein Typ, der nur an der Grenze zwischen zwei Materialien erscheint – verspricht neue Quantentechnologien.
„Die Idee für diese Entdeckung begann vor einigen Jahren, dass Grenzflächen zwischen zwei kristallinen Materialien ein supraleitendes Verhalten aufweisen können, das auch nicht für sich zeigt“, sagte Anand Bhattacharya, Argonne Physiker.
„Erst wenn die beiden Materialien zusammen sind, tritt die Superkonditionitätsmagie an der Grenzfläche auf, die sich von der Masse unterscheidet.“ fügte argonne physiker haidan wen hinzu.
Das Team glaubte, dass eine bestimmte Vibrationstyp im Kristall – als TO1 -Phonon bezeichnet – diese Grenzflächen -Superkongressivität auslöst, und machte sich vor, direkte Beweise für seine Rolle zu finden.
Es gab zwei Hauptherausforderungen, erklärte Wen. Erstens ist die Schnittstelle in der Probe vergraben und nur wenige Nanometer dick, was es schwierig macht, mit herkömmlichen Methoden zu untersuchen. Zweitens musste das Team mit Terahertz -Strahlung arbeiten. Dies geschieht in einem Frequenzbereich tausendmal höher als 5G -Telefonnetzwerke. In diesem Terahertz -Bereich treten viele wichtige Quanteneffekte auf, aber es ist schwierig, sie mit hoher Auflösung zu erfassen.
Die Forscher verwendeten ihre SSTS -Methode für Proben, die durch die Ablagerung eines dünnen Magnetfilms auf einen Oxidkristall gemacht wurden. Bei dieser Methode gehen ultraschnelle Laserimpulse durch den Oxidkristall und schlagen die dünne Magnetschicht auf. Die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Materie erzeugt dann Terahertz -Vibrationen an der Oxid -Grenzfläche.
Durch die Verwendung dieser Technik erkannte das Team den TO1 -Phonon. Sie zeigten auch, dass sich das Verhalten des Phonons innerhalb von 5 Nanometern der Grenzfläche von der Masse unterschied. Oberflächenphononen sind wie Wellen am flachen Ende eines Sees – sie verhalten sich anders als in tieferen Gewässern.
„Unsere interface-sensitive Technik kann auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden, um ein schwer fassbares Quantenverhalten zu untersuchen, einschließlich Magnetismus und Superkonduktivität“, sagte Michael Norman, Argonne Distinguished Fellow und Director des Argonne Quantum Institute. ? „Wir haben jetzt ein neues Fenster in Quantenmaterialien, das den Weg auf neuartige Quantengeräte für zukünftige Technologien hinweisen kann.“
Bhattacharya fügte hinzu,? „Terahertz -Licht, die mit Materie interagieren, können nicht nur Quantenmaterialien auf neue Weise wie in unserer Studie untersuchen, sondern auch völlig neue Materiezustände hervorrufen. Dies ist ein unglaublich aufregender Weg für zukünftige Untersuchungen.“
Diese Forschung wurde in veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte. Zusätzlich zu den oben zitierten Argonne -Autoren zählen Junyi Yang, Yan Li, Jianguo Wen, Ashley Bielinski, Qi Zhang, Alex Martinson, Stephan Hruszkewycz und Dillon Fong. Auch Xiaodong Xu und Kyle Hwangbo von der University of Washington beitragen.
Die Finanzierung der Forschung stammte vom DOE Office of Basic Energy Sciences. Die Proben wurden durch Terahertz -Emissionsspektroskopie in der Materialswissenschaftsabteilung und durch Elektronenmikroskopie im Argonne Center for Nanoscales Materials, einem DOE Office of Science User Facility, gekennzeichnet.
