El confinamiento, el acto de restringir materiales dentro de un límite, puede alterar las propiedades de un material y el movimiento de moléculas a través de él.
“La investigación a esta escala de longitud única nos permitió ver fenómenos de interferencia constructiva realmente interesantes indicativos de interferencia cuántica y, al mismo tiempo, obtener nueva información sobre cómo interactúan los electrones y los iones”, dice el investigador Frank Barrows.
En el caso de la titania, provocó que los electrones interfirieran entre sí en un patrón único, lo que aumentó la conductividad del óxido o el grado en que conduce la electricidad. Todo esto sucedió en la mesoescala, una escala en la que los científicos pueden ver tanto los efectos cuánticos como el movimiento de electrones y moléculas.
En total, este trabajo ofrece a los científicos más información sobre cómo se comportan los átomos, electrones y otras partículas a nivel cuántico. Dicha información podría ayudar a diseñar nuevos materiales que puedan procesar información y ser útiles en otras aplicaciones electrónicas.
“Lo que realmente distingue a este trabajo fue el tamaño de la escala que investigamos”, dice Barrows, “investigar a esta escala de longitud única nos permitió ver fenómenos realmente interesantes que indican que hay interferencia a nivel cuántico, y al mismo tiempo obtener nueva información sobre cómo interactúan los electrones y los iones ".
“Normalmente, cuando se aplica una corriente eléctrica a un óxido como la titania, los electrones fluyen a través del material en una forma de onda simple. Al mismo tiempo, los iones, o partículas cargadas, también se mueven. Estos procesos dan lugar a las propiedades de transporte electrónico del material, como la conductividad y la resistencia, que se aprovechan en el diseño de la electrónica de próxima generación.
"Lo que hicimos en nuestro estudio fue tratar de comprender cómo podemos cambiar las propiedades del material al limitar la geometría o la forma de la película ”, dice el investigador Charudatta Phatak.
Para empezar, los investigadores crearon películas de titania y luego diseñaron un patrón en ellas. En el patrón había agujeros que eran un mero 10 a 20nanómetros de distancia. Agregar el patrón geométrico alteró el movimiento de los electrones de la misma manera que arrojar rocas a un cuerpo de agua altera las ondas que lo atraviesan. En el caso de la titania, el patrón provocó que las ondas de electrones interfirieran entre sí, lo que llevó al óxido a conducir más electricidad.
"El patrón de interferencia básicamente mantuvo en su lugar el oxígeno o los iones que normalmente se moverían en materiales como la titania. Y descubrimos que mantenerlos en su lugar era importante o necesario para obtener una interferencia constructiva de esas ondas ”, dijo Phatak.
Los investigadores investigaron la conductividad y otras propiedades utilizando dos técnicas: holografía electrónica y espectroscopia de pérdida de energía electrónica. Con ese fin, aprovecharon los recursos del Centro de materiales a nanoescala de Argonne (CNM), La DOE Facilidad de usuario de la Oficina de Ciencias, para fabricar sus muestras y realizar algunas de las mediciones.
"No hubiéramos podido ver este patrón único de interferencia si no hubiéramos podido producir suficientes de estos agujeros en un patrón, lo cual es muy difícil de hacer ”, dijo Barrows."Experiencia y recursos en el CNM y la División de Ciencia de Materiales de Argonne resultaron fundamentales para ayudarnos a observar este comportamiento emergente ".
En el futuro, si los investigadores pueden comprender mejor qué dio lugar al aumento de la conductividad, podrían encontrar formas de controlar las propiedades eléctricas u ópticas y aprovechar esta información para el procesamiento de información cuántica. Los conocimientos también podrían usarse para ampliar nuestra comprensión de los materiales que pueden cambiar la resistencia. La resistencia mide cuánto resiste un material al flujo de electrones en una corriente eléctrica.
"Los materiales de conmutación de resistencia son de interés porque pueden ser portadores de información; un estado de resistencia puede ser 0 y el otro puede ser 1, ”Dijo Phatak."Lo que hemos hecho puede darnos un poco más de información sobre cómo podemos controlar estas propiedades mediante el uso de confinamientos geométricos ".
Su papel, titulado"Efectos de confinamiento de mesoescala e interferencia cuántica emergente en películas delgadas de antídoto de titania, " se publica en ASCNano.