Fizikteki en umut verici ve şaşkın fenomenlerin bazıları, milyar metrelik bir değişimin mükemmel elektriksel iletkenliğe neden olabileceği veya bozabileceği nanometre üzerinde oynuyor.
Fizikteki en umut verici ve şaşkın fenomenlerin bazıları, milyar metrelik bir değişimin mükemmel elektriksel iletkenliğe neden olabileceği veya bozabileceği nanometre üzerinde oynuyor.
Şimdi, bilim adamları üç boyutlu, atomik ölçekli karmaşıklıkları ve kimyasal bileşimleri benzeri görülmemiş bir hassasiyetle araştırmak için yeni bir yöntem geliştirdi. 6 Şubat tarihinde Nano Letters dergisinde açıklanan atılım tekniği, atom kuvveti mikroskobisini yakın alan spektroskopiyle birleştirerek en ufak güçlerin bile şaşkınlığa uğramış hasarı ortaya çıkarıyor.
Yale Üniversitesi’nden baş yazar Adrian Gozar, “Bu, körlere görme imkânı vermek gibi bir şey” dedi. “Sonunda, bu ölçeğe göre işlevselliği belirleyen çok önemli varyasyonları görebiliriz ve on iki yıldır devam eden temel elektronik soruları ve son teknolojiyi daha iyi keşfedebiliriz.”
Harvard Üniversitesi’nden Yale Üniversitesi’nden ve ABD Enerji Bakanlığı’nın Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndan bilim adamları, belirli bir cihaz imalat tekniğinin – helyum-iyon demeti litografi – neden öngörülen ölçeklenebilir, yüksek performanslı süper iletken nanoteller oluşturamadıklarını belirlemek için bir teknik geliştirdi Hem teori hem de simülasyon.
Önceki çalışmalarda, ağır metal ipliklerden 10 kat daha geniş kanallar – insan saçından 10,000 kat daha incedir – özel imal edilen malzemelerle kesmek için ağır iyon demetleri kullanıldı. Bununla birlikte, yeni araştırma, ışın kaynaklı hasarın o mesafenin 50 katından fazla dalgalanarak ortaya çıktığını ortaya koydu. Bu ölçekte, bu fark hem görülemez hem de işlevsel açıdan katastrofikti.
Bu çalışma ortak yazarı ve Brookhaven Lab fizikçi Ivan Bozoviç, “Bu, kuantum bilgisayar işlemesindeki zorluğa, örneğin IBM ve Google gibi şirketlerin süper iletken nanotelleri araştırdıkları, ancak güvenilir sentez ve karakterizasyona ihtiyaç duydukları ortamı doğrudan ele alıyor” dedi.
İyonlarla Yazma
Yüksek sıcaklıkta süper-iletken cihazlar için umut verici bir tasarım, süperiletken-yalıtkan-süper iletken (SIS) ara yüzleri veya Josephson junction olarak adlandırılan alternatif konstrüksiyonlardır. Bunlar, yeterli hassaslığın elde edilebileceğini varsayarsak, doğrudan ışın yazımı ile teorik olarak kolayca üretilebilir.
Helyum-iyon ışınlı litografi (HIB), son zamanlarda benzer malzemelerle kanıtlanmış mükemmel bir adaydır ve süper iletken nanoteller ve Josephson kavşaklarının hızlı ve ölçeklenebilir üretimi için çok uygundur.
“HIB, parçacık demetini tek bir nanometrenin altında tutmamıza ve süper iletken arayüzler oluşturmak için etkili bir biçimde ‘yazma’ kalıpları yapmamıza izin veriyor” diyen HIB, Harvard’tan Profesör Jenny Hoffman’ın rehberliğinde bu çalışmanın bir yazarı olan Nicholas Litombe’yi yönlendirdi. . “Bu tekniğin başka bir malzeme sınıfına kaydırılması için yola çıktık: LSCO ince filmler.”
İşbirliği, lantan, stronsiyum, bakır ve oksijen kullanımıyla adlandırılan mükemmel LSCO ince filmlerin özenle hazırlanmış montajı ile başladı. Bozoviç’in Brookhaven’daki grubu atomik olarak mükemmel süper iletken filmler ve heterohistrükler oluşturabilen atomik katmanlı moleküler beam epitaksi adlı bir teknik kullandı.
Bozoviç, “Yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin teşvik edilmesi ve anlaşılması için fazlar arası fizik kullanımı konusunda uzun zamandır ilgi ve uzmanlığım var” dedi. “HIB bize nanoscale üzerinde bu malzemeleri keşfetmek için tamamen yeni bir yol sunuyor.”
Litombe, ultra hassas arayüz kanallarını Bozoviç’in ince filmlerinde oymuştu. Ancak acil sonuçlar cesaret kırıcıydı: Beklenen süper iletkenlik, akım birkaç yüz nanometreden daha dar tellerle koştuğunda tamamen bastırılmıştı.
Litombe, “Bilgisayar modellerimiz ve deney sonuçlarımız mükemmel görünüyordu, ancak iş yerinde gizli güçlerin olduğunu biliyorduk” dedi. “Malzeme yapısı hakkında derinlemesine bir kavrayışa ihtiyaç duyduk.”
Kriyojenik paratoner
Malzeme kompozisyonu ve elektronik özellikleri ışık absorbe etme ve yayma yoluyla tespit edilebilir – uzun süredir alan spektroskopi olarak adlandırılır. Süper iletkenlik durumunda bu, iletken bir metalin “parlak” yüzeyi ile akım kırıcı izolatörün donukluğu arasında ayrım yapabilir.
Bilim adamları, HIB yollarındaki spektroskopik parlaklığın incelenmesi için tarama alanına yakın optik mikroskopi (SNOM) yaptı. Ancak, yaldızlı bir cam kapilerden ışığı huniden geçen bu teknik, yaklaşık 100 nanometre çözünürlük sınırına sahiptir; bu, nano ölçekli süper iletken arayüzleri incelemek için çok büyüktür.
Neyse ki, Gozar spektroskopik çözünürlüğü radikal bir şekilde arttırmak için özel bir alet kurdu. Tamamıyla Brookhaven Lab’da inşa edilen ve şu an Yale’de bulunan makine, SNOM’u atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile birleştiriyor. Bir plakçının iğnesi, vinil dokusundan ses çıkartan bir ses gibi, bir AFM iğne bir malzemenin üzerine gider ve atom topografisini okur.
Gozar, “Burada, AFM iğnesi bir yıldırım çubuğu gibi davranarak, SNOM ışığını on nanometreye kadar kanalize ediyor” dedi. “Derin kimyasal yapılar üzerine aynı anda AFM topografyası ve spektroskopik verilere sahibiz.”
En önemlisi, Gozar’ın AFM-SNOM sistemi, bu malzemeleri test etmek için gereken kriyojenik sıcaklıklarda da çalışır – yalnızca dünyanın birkaç laboratuvarında sunulan bir özelliktir.
Yaygın yıkım
Yeni teknik, helyum iyonlarının ardından ortaya çıkan beklenmedik ve yaygın hasarı ortaya koydu. Kirişin 0,5 nanometreye odaklanmasına rağmen, etkileri 500 nanometre yayılım boyunca atomları salladı ve yapıyı süperiletkenliği önlemek için yeterince değiştirdi. Nanomalzemeli inşaat için, bu yanal sürüklenme denilen şey tamamen savunulamaz.
Litombe, “Bu ölçekte en ufak bir dürtme bile, yararlanmayı düşündüğümüz güçlü olayı parçalamaktadır” dedi. “Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik sadece birkaç atomla tutarlılık mesafesine sahip olabilir, bu yüzden bu yanal etki harap edici. Elbette, daha önce görülmemiş ayrıntıları keşfetmekten hala heyecanlıyız.”
Bozoviç, “Bir anlamda bütün sonuç negatifti nanometre kalınlığında süper iletken teller yaratma konusundaki ilk hedefimiz tam olarak başarılmadı ancak neden gerçekten heyecan verici kapılar açtığını anlamak” dedi.
SNOM-AFM tekniği, ekran teknolojisi için plasmonikler ve yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin arkasındaki mekanizmanın incelenmesi gibi alanlara kolayca uygulanabilir.
Gozar, “Nano ölçekli çözünürlük ve aletin tomografik özellikleri, nanoküre fenomeni ve onu güçlendiren teknoloji hakkında yeni doğruların açığa çıkarılmasına zirveye taşıyor” dedi.
Kaynak:
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı