Um "subproduto irritante" da pesquisa de supercondutores do Laboratório Ames é, na verdade, um material isolante muito procurado e difícil de obter, hBN, pelo qual os cientistas que estudam o grafeno e outros materiais 2D clamam. Crédito:Laboratório Ames
Ao fazer amostras de materiais para perseguir seus próprios objetivos de pesquisa, cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA descobriram que um subproduto indesejado de seus experimentos era uma substância de qualidade extremamente alta e difícil de obter, procurada por cientistas que pesquisavam materiais em camadas.
Com um nome de projeto como "Estados complexos, Fenômenos emergentes e supercondutividade em compostos intermetálicos e semelhantes a metais ", imediatamente se percebe que a equipe de cientistas por trás desse título pode ter um talento especial para o estranho, incomum, e nunca antes visto. O grupo Ames Lab investiga compostos metálicos e semimetálicos que possuem propriedades magnéticas, supercondutor, ou outras propriedades que são projetadas para sondar os mistérios fundamentais de como os estados correlacionados ou emergentes podem se formar e, tb, pode ser útil em futuras aplicações de tecnologia, como a criação de energia, transmissão e armazenamento, bem como computação quântica. Mas antes que eles possam investigar o estranho, incomum, e nunca antes visto, eles precisam fazer isso - portanto, a equipe também tem décadas de experiência na criação desses materiais.
Um dos focos de pesquisa do grupo é o MgB 2 , um material supercondutor difícil de produzir. Tão dificil, na verdade, que a ferramenta usada para fazê-lo é chamada de "A Besta". Espreitando no porão do Spedding Hall do Ames Laboratory, a besta é meticulosa, poderoso, e um forno gigante de alta pressão que superaquece e superaprime pequenas quantidades de ingredientes difíceis de combinar em novos compostos.
Mingyu Xu, um estudante de graduação, tem estudado MgB 2 , e está interessado em crescer puro e dopado, amostras de cristal único do material, a fim de melhor compreender suas propriedades supercondutoras. Ele e Raquel Ribeiro, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Iowa State University, trabalham juntos para carregar cubos de cerâmica especialmente projetados (basicamente cinza vulcânica) com os pequenos cadinhos (copos) que serão aquecidos a temperaturas de até 2.000 C °, e sujeito a pressões 30, 000 vezes superior à pressão atmosférica normal.
"Temos que ser muito precisos, muito particular sobre como preparamos e carregamos as amostras, "disse Ribeiro." Se cometermos um erro, se alguma peça estiver desalinhada, quebra, " ela disse, explicando o processo implacável de fazer o material. Tão exigente é a Besta, Xu e Ribeiro acompanham seus erros, como forma de documentar como melhorar seus métodos de preparação e taxa de sucesso.
Quando eles têm sucesso, O foco de Xu está no MgB 2 , literalmente. Suas imagens de microscópio são focadas nitidamente no brilho de cristais de cor ouro pálido que confirmam que a Besta preparou um sucesso, amostra de alta qualidade. Mas as imagens também capturam outra coisa - o procurado MgB 2 é cercado por um ninho de translúcido, material em flocos que é um subproduto do processo, chamado nitreto de boro hexagonal, ou hBN.
"Por anos, tentamos minimizar esta segunda fase irritante, "disse Paul Canfield, Físico do Ames Lab, Distinguished Professor e Robert Allen Wright Professor de Física e Astronomia na Iowa State University, e pesquisador principal do projeto. "Nossa busca era por MgB 2 . Nós não queríamos aquelas outras coisas, e tentamos otimizar nosso processo para reduzir a quantidade dele. "
Em suas colaborações com físicos de outras instituições, Contudo, ele aprendeu que sua "segunda fase irritante" era na verdade um material isolante muito procurado e difícil de obter para cientistas que pesquisavam grafeno, o semimetal 2D em camadas que foi descoberto pela primeira vez em 2010, e é estudado por suas propriedades de transporte de elétrons fascinantes e incomuns.
"Imagine que você descobriu o sanduíche, e é fácil conseguir o presunto, mas o pão é difícil de conseguir. O pão branco é enfadonho por si só, mas se você tiver você pode fazer seu sanduíche, "disse Canfield, "hBN é o pão para fazer esse sanduíche." Camadas de hBN isolante separam o grafeno e outros novos materiais eletrônicos e magnéticos para fazer novas heteroestruturas; sanduíches de nova física com propriedades que podem, em última instância, substituir os transistores.
De repente, O grupo de Canfield encontrou-se hBN padeiros para os esforços de sanduíche 2D de outro cientista - um movimento lateral científico, Se você for. Xu e Ribeiro ajustaram sua sistemática operando a Besta para otimizar tanto a produção de MgB 2 , e seu subproduto desejável. Ao fazê-lo, Ames evoluiu para ser uma das poucas fontes mundiais de hBN, desempenhando um papel fundamental em várias publicações de alto perfil. O Laboratório Ames forneceu hBN ao MIT, Rutgers, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, e outras instituições. A pesquisa resultante foi apresentada em Nature Communications , Natureza , e Ciência .
"É muito gratificante termos um Laboratório Nacional do Departamento de Energia, não apenas perseguindo seus próprios objetivos de pesquisa, mas também desempenhando um papel essencial ao permitir descobertas importantes da física em outros laboratórios e em outras instituições, "disse Canfield.
