כליאה, פעולת הגבלת החומרים בתוך גבול, יכולה לשנות את תכונות החומר ואת תנועת המולקולות דרכו.
"חקירה בסולם אורך ייחודי זה אפשרה לנו לראות תופעות הפרעה בונה מעניינות באמת המעידות על הפרעה קוונטית, ובמקביל לקבל מידע חדש על האופן שבו אלקטרונים ויונים מתקשרים", אומר החוקר פרנק בארו.
במקרה של טיטניה, זה גרם לאלקטרונים להפריע זה לזה בתבנית ייחודית, מה שהגביר את מוליכות התחמוצת, או את המידה שבה היא מוליכה חשמל. כל זה קרה בקנה המידה, קנה מידה שבו מדענים יכולים לראות הן השפעות קוונטיות והן תנועת אלקטרונים ומולקולות.
בסך הכל, עבודה זו מציעה למדענים תובנה נוספת לגבי האופן שבו אטומים, אלקטרונים וחלקיקים אחרים מתנהגים ברמה הקוונטית. מידע כזה יכול לסייע בעיצוב חומרים חדשים שיכולים לעבד מידע ולהיות שימושיים ביישומים אלקטרוניים אחרים.
"מה שבאמת ייחד את העבודה הזו היה גודל הסולם שחקרנו", אומר בארוז, "חקירה בסולם אורך ייחודי זה אפשרה לנו לראות תופעות מעניינות באמת המצביעות על התרחשות של הפרעות ברמה הקוונטית, ובמקביל לקבל מידע חדש על האופן שבו אלקטרונים ויונים מתקשרים ".
"בדרך כלל, כאשר זרם חשמלי מופעל על תחמוצת כמו טיטניה, אלקטרונים זורמים בחומר בצורה גל פשוטה. במקביל, יונים - או חלקיקים טעונים - נעים גם הם. תהליכים אלה מעוררים את תכונות ההובלה האלקטרוניות של החומר, כגון מוליכות והתנגדות, המנוצלות בעיצוב אלקטרוניקה מהדור הבא.
"מה שעשינו במחקר שלנו היה לנסות להבין כיצד אנו יכולים לשנות את תכונות החומר על ידי הגבלת הגיאומטריה או הצורה של הסרט ", אומר החוקר צ'רודאטה פאטאק.
ראשית, חוקרים יצרו סרטים של טיטניה, ולאחר מכן עיצבו עליהם תבנית. בתבנית היו חורים שהם סתם 10 ל 20ננומטרים זה מזה. הוספת התבנית הגיאומטרית שינתה את תנועת האלקטרונים באותו אופן בו זריקת סלעים לגוף מים משנה את הגלים המגלגלים דרכו. במקרה של טיטניה, התבנית גרמה לגל אלקטרונים להפריע זה לזה, מה שהוביל את התחמוצת להוביל יותר חשמל.
"דפוס ההפרעות החזיק בעצם את החמצן או היונים שבדרך כלל היו נעים בחומרים כמו טיטניה. ומצאנו כי החזקתם של אלה במקום היא חשובה או הכרחית בכדי לקבל הפרעה בונה של הגלים האלה ", אמר פאטאק.
החוקרים חקרו מוליכות ומאפיינים אחרים באמצעות שתי טכניקות: הולוגרפיה אלקטרונים וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיה אלקטרונים. לשם כך הם מינוף משאבים במרכז של ארגונה לחומרים ננומיים (CNMשל) DOE מתקן המשתמשים של משרד המדע, להמציא את הדגימות שלהם ולבצע כמה מהמידות.
"לא היינו יכולים לראות את דפוס ההפרעה הייחודי הזה אם לא היינו יכולים לייצר מספיק מהחורים האלה בתבנית, וזה מאוד קשה לביצוע ", אמר בארו."מומחיות ומשאבים ב CNM וחטיבת מדעי החומרים של ארגון התגלו כקריטיות כדי לעזור לנו להתבונן בהתנהגות המתעוררת הזו ".
בעתיד, אם החוקרים יוכלו להבין טוב יותר מה הוביל לעלייה במוליכות, הם יכולים למצוא דרכים לשלוט במאפיינים חשמליים או אופטיים ולרתום מידע זה לעיבוד מידע קוונטי. ניתן להשתמש בתובנות גם כדי להרחיב את הבנתנו לגבי חומרים שיכולים להחליף התנגדות. ההתנגדות מודדת עד כמה חומר מתנגד לזרימת האלקטרונים בזרם חשמלי.
"חומרי החלפת התנגדות מעניינים מכיוון שהם יכולים להיות נושאי מידע-מצב התנגדות אחד יכול להיות 0 והשני יכול להיות 1", אמר פאטאק."מה שעשינו יכול לתת לנו קצת יותר תובנה כיצד אנו יכולים לשלוט במאפיינים אלה באמצעות כליאה גיאומטרית. "
העיתון שלהם, שכותרתו"השפעות הכליאה של Mesoscale וההפרעות הקוונטיות העולות בסרטים דקים נגד טיטניה" מתפרסם ב ASCאח בוגר.