Le confinement, l'acte de restreindre les matériaux à l'intérieur d'une frontière, peut modifier les propriétés d'un matériau et le mouvement des molécules à travers celui-ci.
"L'enquête à cette échelle de longueur unique nous a permis de voir des phénomènes d'interférence constructive vraiment intéressants indiquant une interférence quantique, et en même temps d'obtenir de nouvelles informations sur la façon dont les électrons et les ions interagissent", explique le chercheur Frank Barrows.
Dans le cas de l'oxyde de titane, les électrons interféraient les uns avec les autres selon un motif unique, ce qui augmentait la conductivité de l'oxyde ou le degré auquel il conduit l'électricité. Tout cela s'est produit à l'échelle méso, une échelle où les scientifiques peuvent voir à la fois les effets quantiques et le mouvement des électrons et des molécules.
Dans l'ensemble, ce travail offre aux scientifiques un meilleur aperçu du comportement des atomes, des électrons et d'autres particules au niveau quantique. Ces informations pourraient aider à concevoir de nouveaux matériaux pouvant traiter l'information et être utiles dans d'autres applications électroniques.
"Ce qui distingue vraiment ce travail, c'est la taille de l'échelle que nous avons étudiée", explique Barrows, "l'étude à cette échelle de longueur unique nous a permis de voir des phénomènes vraiment intéressants qui indiquent qu'il y a des interférences au niveau quantique, et en même temps obtenir de nouvelles informations sur la façon dont les électrons et les ions interagissent.
"Normalement, lorsqu'un courant électrique est appliqué à un oxyde comme l'oxyde de titane, les électrons traversent le matériau sous une forme d'onde simple. Dans le même temps, les ions - ou particules chargées - se déplacent également. Ces processus donnent naissance aux propriétés de transport électronique du matériau, telles que la conductivité et la résistance, qui sont exploitées dans la conception de l'électronique de nouvelle génération.
"Ce que nous avons fait dans notre étude a été d'essayer de comprendre comment nous pouvons modifier les propriétés des matériaux en confinant la géométrie ou la forme du film », explique la chercheuse Charudatta Phatak.
Pour commencer, les chercheurs ont créé des films de titane, puis ont conçu un motif dessus. Dans le motif se trouvaient des trous qui n'étaient qu'un simple 10 à 20nanomètres d'intervalle. L'ajout du motif géométrique a modifié le mouvement des électrons de la même manière que le fait de jeter des pierres dans un plan d'eau modifie les vagues qui le traversent. Dans le cas de l'oxyde de titane, le motif a provoqué des interférences entre les ondes électroniques, ce qui a conduit l'oxyde à conduire plus d'électricité.
"Le motif d'interférence maintenait essentiellement en place l'oxygène ou les ions qui normalement se déplaceraient dans des matériaux comme l'oxyde de titane. Et nous avons constaté que les maintenir en place était important ou nécessaire pour obtenir une interférence constructive de ces ondes », a déclaré Phatak.
Les chercheurs ont étudié la conductivité et d'autres propriétés à l'aide de deux techniques : l'holographie électronique et la spectroscopie de perte d'énergie électronique. À cette fin, ils ont tiré parti des ressources du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne (CNM), Un DOE Office of Science User Facility, pour fabriquer leurs échantillons et effectuer certaines des mesures.
"Nous n'aurions pas pu voir ce modèle d'interférence unique si nous n'avions pas été en mesure de produire suffisamment de ces trous dans un modèle, ce qui est très difficile à faire », a déclaré Barrows."L'expertise et les ressources au CNM et la division Science des matériaux d'Argonne s'est avérée essentielle pour nous aider à observer ce comportement émergent.
À l'avenir, si les chercheurs peuvent mieux comprendre ce qui a donné lieu à l'augmentation de la conductivité, ils pourraient potentiellement trouver des moyens de contrôler les propriétés électriques ou optiques et exploiter ces informations pour le traitement de l'information quantique. Les informations pourraient également être utilisées pour élargir notre compréhension des matériaux qui peuvent changer de résistance. La résistance mesure à quel point un matériau résiste au flux d'électrons dans un courant électrique.
"Les matériaux à commutation de résistance sont intéressants car ils peuvent être des supports d'informations - un état de résistance peut être 0 et l'autre peut être 1", a déclaré Phatak."Ce que nous avons fait peut nous donner un peu plus d'informations sur la façon dont nous pouvons contrôler ces propriétés en utilisant des confinements géométriques. »
Leur article, intitulé"Effets de confinement à mésoéchelle et interférence quantique émergente dans les films minces antidotes d'oxyde de titane, " est publié dans ASCNano.