Επιστήμονες στο UCLA οπτικοποιούν ιδιότητες ηλεκτρονικών υλικών σε επίπεδο νανοκλίμακας με τη χρήση μεγάλου επιταχυντή σωματιδίων

Μία τεχνική που επινοήθηκε από ερευνητές του UCLA (University of California, Los Angeles) θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα ένα πολύ μικρό – αλλά δυνητικά σημαντικό – συστατικό των ηλεκτρονικών συσκευών της επόμενης γενιάς.

Οι επιστήμονες προσπαθώντας να βελτιώσουν τους ημιαγωγούς που τροφοδοτούν τις ηλεκτρονικές συσκευές μας εστίασαν σε μια τεχνολογία που ονομάζεται σπιντρονική (spintronics) ως μια ιδιαίτερα υποσχόμενη περιοχή της έρευνας. Αντίθετα από τις συμβατικές συσκευές που χρησιμοποιούν φορτίο ηλεκτρονίων για τη δημιουργία ισχύος, οι σπιντρονικές συσκευές χρησιμοποιούν το spin των ηλεκτρονίων. Η τεχνολογία χρησιμοποιείται ήδη σε σκληρούς δίσκους υπολογιστών και πολλές άλλες εφαρμογές και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί στους κβαντικούς υπολογιστές, μια νέα γενιά μηχανών που χρησιμοποιούν την κβαντομηχανική για να επιλύσουν με εκπληκτική ταχύτητα σύνθετα προβλήματα.

Έρευνα που έγινε έδειξε ότι ένα βασικό στοιχείο για τη σημαντικά βελτιωμένη απόδοση στις σπιντρονικές θα μπορούσε να είναι μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται τοπολογικοί μονωτές. Αντίθετα από τα συνηθισμένα υλικά, που είναι είτε μονωτές είτε αγωγοί, οι τοπολογικοί μονωτές λειτουργούν ταυτόχρονα και ως μονωτές και ως αγωγοί – στο εσωτερικό, είναι μονωτές, αλλά στο εξωτερικό τους, άγουν τον ηλεκτρισμό.

Όμως οι τοπολογικοί μονωτές έχουν ορισμένα ελαττώματα, στοιχείο που κάνει να είναι μέχρι στιγμής περιορισμένη η χρήση τους σε πρακτικές εφαρμογές και επειδή είναι τόσο μικροί, οι επιστήμονες μέχρι στιγμής δεν ήταν σε θέση να κατανοήσουν πλήρως το πώς αυτά τα ελαττώματα επηρεάζουν την λειτουργικότητά τους. Αυτή την πρόκληση την έχουν ξεπεράσει οι ερευνητές του UCLA με μια νέα μέθοδο που απεικονίζει τους τοπολογικούς μονωτές στην περιοχή της νανοκλίμακας. Ένα διαφωτιστικό άρθρο έχει δημοσιευθεί στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, με επικεφαλής συγγραφέα τον Δημήτρη Κουμούλη, μεταδιδακτορικό σπουδαστή του UCLA.

Η νέα μέθοδος είναι η πρώτη χρήση ενός εξωτικού τύπου πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), του β-ανιχνευόμενου NMR, στον οποίο το σήμα της μετάπτωσης του πυρηνικού spin ανιχνεύεται μέσω της β-διάσπασης ενός ραδιενεργού πυρήνα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για να μελετηθούν τα αποτελέσματα αυτών των ελαττωμάτων στις ιδιότητες των τοπολογικών μονωτών.

Η τεχνική περιλαμβάνει τη στόχευση μιας έντονα εστιασμένης ροής ιόντων στον τοπολογικό μονωτή. Για να δημιουργήσουν αυτή τη δέσμη ιόντων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν μεγάλο επιταχυντή σωματιδίων, που ονομάζεται κύκλοτρο, ο οποίος επιταχύνει πρωτόνια μέσα σε μια σπειροειδή διαδρομή στο εσωτερικό του επιταχυντή και τα αναγκάζει να συγκρουστούν με ένα στόχο κατασκευασμένο με το χημικό στοιχείο ταντάλιο. Η σύγκρουση αυτή παράγει άτομα λιθίου-8, τα οποία ιονίστηκαν και επιβραδύνθηκαν σε ένα επιθυμητό ενεργειακό επίπεδο, πριν αυτά εμφυτευθούν στους τοπολογικούς μονωτές.

Στον β-ανιχνευόμενο πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, ιόντα διαφόρων ενεργειών (σε αυτή την περίπτωση, τα ιονισμένα άτομα του λιθίου-8) εμφυτεύθηκαν στο υλικό που ενδιαφέρει (τον τοπολογικό μονωτή) για να δημιουργήσουν σήματα από τις στιβάδες του υλικού που ενδιαφέρει. Η μέθοδος είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την ανίχνευση περιοχών κοντά στις επιφάνειες και τις διεπαφές διαφορετικών υλικών, είπε ο Louis Bouchard, επίκουρος καθηγητής Χημείας και Βιοχημείας και ένας από τους συγγραφείς της εργασίας.

Στην έρευνα του UCLA, για την οποία οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το μεγάλο κύκλοτρο TRIUMF στο Βανκούβερ, η υψηλή ευαισθησία της τεχνικής του β-ανιχνεύσιμου πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και η ικανότητά της να αναδιφούν τα υλικά, επέτρεψε στους επιστήμονες να «δουν» τις επιπτώσεις των ελαττωμάτων στους τοπολογικούς μονωτές, βλέποντας τις ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες κάτω από την επιφάνεια του υλικού.

Πηγή: University of California, Los Angeles (Με θερμές ευχαριστίες στον κ. Δημήτρη Κουμούλη για την σχετική ενημέρωση)

Περισσότερα στην εργασία: Nanoscale β-nuclear magnetic resonance depth imaging of topological insulators, PNAS 2015 112 (28)