Il confinamento, l'atto di restringere i materiali all'interno di un confine, può alterare le proprietà di un materiale e il movimento delle molecole attraverso di esso.
"Indagare su questa scala di lunghezza unica ci ha permesso di vedere fenomeni di interferenza costruttiva davvero interessanti indicativi di interferenza quantistica e allo stesso tempo di ottenere nuove informazioni su come interagiscono elettroni e ioni", afferma il ricercatore Frank Barrows.
Nel caso della titania, faceva sì che gli elettroni interferissero tra loro in uno schema unico, che aumentava la conduttività dell'ossido, o il grado di conduzione dell'elettricità. Tutto questo è successo alla mesoscala, una scala in cui gli scienziati possono vedere sia gli effetti quantistici che il movimento di elettroni e molecole.
Nel complesso, questo lavoro offre agli scienziati maggiori informazioni su come si comportano atomi, elettroni e altre particelle a livello quantistico. Tali informazioni potrebbero aiutare nella progettazione di nuovi materiali in grado di elaborare le informazioni ed essere utili in altre applicazioni elettroniche.
"Ciò che ha davvero contraddistinto questo lavoro è stata la dimensione della scala che abbiamo studiato", afferma Barrows, "indagare su questa scala di lunghezza unica ci ha permesso di vedere fenomeni davvero interessanti che indicano che c'è un'interferenza che si verifica a livello quantistico e allo stesso tempo acquisire nuove informazioni su come interagiscono elettroni e ioni”.
“Normalmente, quando viene applicata una corrente elettrica a un ossido come il titanio, gli elettroni fluiscono attraverso il materiale in una semplice forma d'onda. Allo stesso tempo, anche gli ioni, o particelle cariche, si muovono. Questi processi danno origine alle proprietà di trasporto elettronico del materiale, come conducibilità e resistenza, che vengono sfruttate nella progettazione dell'elettronica di prossima generazione.
"Quello che abbiamo fatto nel nostro studio è stato cercare di capire come possiamo cambiare le proprietà dei materiali limitando la geometria o la forma del film", afferma il ricercatore Charudatta Phatak.
Per iniziare, i ricercatori hanno creato film di titania, quindi hanno progettato uno schema su di essi. Nel disegno c'erano dei buchi che erano solo 10 a 20nanometri di distanza. L'aggiunta del motivo geometrico ha alterato il movimento degli elettroni allo stesso modo in cui il lancio di rocce in uno specchio d'acqua altera le onde che lo attraversano. Nel caso della titania, il modello ha causato l'interferenza reciproca delle onde degli elettroni, che hanno portato l'ossido a condurre più elettricità.
"Il modello di interferenza sostanzialmente ha tenuto in posizione l'ossigeno o gli ioni che normalmente si muoverebbero in materiali come il titanio. E abbiamo scoperto che tenerli in posizione era importante o necessario per ottenere un'interferenza costruttiva di quelle onde", ha detto Phatak.
I ricercatori hanno studiato la conduttività e altre proprietà utilizzando due tecniche: l'olografia elettronica e la spettroscopia a perdita di energia degli elettroni. A tal fine, hanno sfruttato le risorse del Center for Nanoscale Materials di Argonne (CNM) Del DOE Office of Science User Facility, per fabbricare i loro campioni ed effettuare alcune misurazioni.
"Non saremmo stati in grado di vedere questo modello unico di interferenza se non fossimo stati in grado di produrre abbastanza di questi fori in uno schema, che è molto difficile da fare", ha affermato Barrows."Competenza e risorse al CNM e la Divisione Scienza dei Materiali di Argonne si è rivelata fondamentale per aiutarci a osservare questo comportamento emergente”.
In futuro, se i ricercatori riusciranno a capire meglio cosa ha dato origine all'aumento della conduttività, potrebbero potenzialmente trovare modi per controllare le proprietà elettriche o ottiche e sfruttare queste informazioni per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Le intuizioni potrebbero anche essere utilizzate per ampliare la nostra comprensione dei materiali che possono cambiare la resistenza. La resistenza misura quanto un materiale resiste al flusso di elettroni in una corrente elettrica.
"I materiali a commutazione di resistenza sono interessanti perché possono essere vettori di informazioni: uno stato di resistenza può essere 0 e l'altro può essere 1", ha detto Phatak."Quello che abbiamo fatto può darci un po' più di informazioni su come possiamo controllare queste proprietà usando i confini geometrici".
Il loro articolo, intitolato "Effetti di confinamento su mesoscala e interferenza quantistica emergente nei film sottili di antipunto titania, " è pubblicato in ASCnano.