O confinamento, o ato de restringir materiais dentro de um limite, pode alterar as propriedades de um material e o movimento das moléculas através dele.
“Investigar nesta escala de comprimento única nos permitiu ver fenômenos de interferência construtiva realmente interessantes indicativos de interferência quântica e, ao mesmo tempo, obter novas informações sobre como elétrons e íons interagem”, diz o pesquisador Frank Barrows.
No caso da titânia, fazia com que os elétrons interferissem uns com os outros em um padrão único, o que aumentava a condutividade do óxido ou o grau em que ele conduz eletricidade. Tudo isso aconteceu em mesoescala, uma escala em que os cientistas podem ver os efeitos quânticos e o movimento dos elétrons e das moléculas.
Ao todo, este trabalho oferece aos cientistas mais insights sobre como os átomos, elétrons e outras partículas se comportam no nível quântico. Essas informações podem ajudar no projeto de novos materiais que podem processar informações e ser úteis em outras aplicações eletrônicas.
“O que realmente diferencia este trabalho foi o tamanho da escala que investigamos”, diz Barrows, “investigar nesta escala de comprimento única nos permitiu ver fenômenos realmente interessantes que indicam que há interferência acontecendo no nível quântico, e ao mesmo tempo obter novas informações sobre como elétrons e íons interagem. ”
“Normalmente, quando uma corrente elétrica é aplicada a um óxido como o titânia, os elétrons fluem através do material em uma forma de onda simples. Ao mesmo tempo, os íons - ou partículas carregadas - também se movem. Esses processos dão origem às propriedades de transporte eletrônico do material, como condutividade e resistência, que são exploradas no projeto de eletrônicos de última geração.
"O que fizemos em nosso estudo foi tentar entender como podemos alterar as propriedades dos materiais confinando a geometria ou a forma do filme ”, diz o pesquisador Charudatta Phatak.
Para começar, os pesquisadores criaram filmes de titânia e, em seguida, projetaram um padrão neles. No padrão havia orifícios que eram meros 10 para 20nanômetros de distância. Adicionar o padrão geométrico alterou o movimento dos elétrons da mesma forma que jogar pedras em um corpo de água altera as ondas que ondulam por ele. No caso da titânia, o padrão fazia com que as ondas de elétrons interferissem umas nas outras, o que fazia com que o óxido conduzisse mais eletricidade.
"O padrão de interferência basicamente mantinha no lugar o oxigênio ou íons que normalmente se moveriam em materiais como o titânia. E descobrimos que mantê-los no lugar era importante ou necessário para obter uma interferência construtiva dessas ondas ”, disse Phatak.
Os pesquisadores investigaram a condutividade e outras propriedades usando duas técnicas: holografia de elétrons e espectroscopia de perda de energia de elétrons. Para esse fim, eles alavancaram recursos no Centro de Materiais em nanoescala da Argonne (CNM) Do DOE Office of Science User Facility, para fabricar suas amostras e fazer algumas das medições.
"Não teríamos sido capazes de ver esse padrão único de interferência se não pudéssemos produzir o suficiente desses furos em um padrão, o que é muito difícil de fazer ”, disse Barrows."Expertise e recursos no CNM e a Divisão de Ciência de Materiais da Argonne provou ser fundamental para nos ajudar a observar esse comportamento emergente. ”
No futuro, se os pesquisadores puderem entender melhor o que deu origem ao aumento da condutividade, eles poderiam encontrar maneiras de controlar as propriedades elétricas ou ópticas e aproveitar essas informações para o processamento de informações quânticas. Os insights também podem ser usados para expandir nossa compreensão dos materiais que podem alterar a resistência. A resistência mede o quanto um material resiste ao fluxo de elétrons em uma corrente elétrica.
"Os materiais de comutação de resistência são de interesse porque podem ser portadores de informações - um estado de resistência pode ser 0 e o outro pode ser 1, ”Disse Phatak."O que fizemos pode nos dar um pouco mais de visão sobre como podemos controlar essas propriedades usando confinamentos geométricos. ”
O artigo deles, intitulado"Efeitos de confinamento de mesoescala e interferência quântica emergente em filmes finos de antídoto de titânia" é publicado em ASCNano.