Alguns dos fenômenos mais promissores e intrigantes da física acontecem em nanoescala, onde uma mudança no bilionésimo de um metro pode fazer ou quebrar a condutividade elétrica perfeita.

Agora, cientistas desenvolveram um novo método para sondar tridimensional, complexidades em escala atômica e composições químicas com precisão sem precedentes. A técnica inovadora - descrita em 6 de fevereiro no jornal Nano Letras - combina microscopia de força atômica com espectroscopia de campo próximo para expor os danos surpreendentes causados ​​até mesmo pelas forças mais sutis.

"Isso é como conceder visão aos cegos, "disse o autor principal Adrian Gozar da Universidade de Yale." Podemos finalmente ver as variações muito importantes que ditam a funcionalidade nesta escala e explorar melhor a eletrônica de ponta e as questões fundamentais que persistiram por décadas. "

Cientistas da Universidade de Yale, Universidade de Harvard, e o Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, desenvolveu a técnica para determinar por que uma técnica de fabricação de dispositivo específico - litografia por feixe de íons de hélio - falhou em criar o escalonável, nanofios supercondutores de alto desempenho previstos pela teoria e simulação.

Em trabalhos anteriores, feixes de íons pesados ​​foram usados ​​para esculpir canais de 10 nm de largura - cerca de 10, 000 vezes mais fino que um cabelo humano - por meio de materiais feitos sob medida. Contudo, o novo estudo revelou danos induzidos por feixe ondulando mais de 50 vezes essa distância. Nesta escala, essa diferença era imperceptível e funcionalmente catastrófica.

"Isso aborda diretamente o desafio da computação quântica, por exemplo, onde empresas como IBM e Google estão explorando nanofios supercondutores, mas precisam de síntese e caracterização confiáveis, "disse o co-autor do estudo e físico do Brookhaven Lab, Ivan Bozovic.

Escrevendo com íons

Um projeto promissor para dispositivos supercondutores de alta temperatura é a alternância de interfaces supercondutor-isolador-supercondutor (SIS) - ou as chamadas junções Josephson. Estes são teoricamente fáceis de fabricar por gravação direta de feixe, assumindo que uma precisão suficiente pode ser alcançada.

A litografia por feixe de íons de hélio (HIB) era uma candidata perfeita, comprovado recentemente em materiais semelhantes e bem adequado para a produção rápida e escalável de nanofios supercondutores e junções Josephson.

"O HIB nos permite focar o feixe de partículas em menos de um nanômetro e efetivamente 'escrever' padrões para criar interfaces supercondutoras, "disse Nicholas Litombe, que liderou o trabalho do HIB sob a orientação da Professora Jenny Hoffman, de Harvard, um co-autor deste estudo. "Decidimos mudar essa técnica para outra classe de materiais:filmes finos LSCO."

A colaboração começou com a montagem meticulosa de filmes finos LSCO perfeitos - assim chamados por seu uso de lantânio, estrôncio, cobre, e oxigênio. O grupo de Bozovic em Brookhaven usou uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular atômico camada por camada, que pode criar filmes supercondutores atomicamente perfeitos e heteroestruturas.

"Tenho um interesse e especialização de longa data no uso da física de interfase para induzir e compreender a supercondutividade de alta temperatura, "Bozovic disse." O HIB nos oferece uma maneira inteiramente nova de explorar esses materiais em nanoescala. "

Litombe esculpiu os canais de interface ultraprecisos nos filmes finos de Bozovic. Mas os resultados imediatos foram desanimadores:a supercondutividade prevista foi totalmente suprimida quando a corrente passou por fios mais estreitos do que algumas centenas de nanômetros.

"Nossos modelos de computador e resultados experimentais pareceram excelentes, mas sabíamos que havia forças ocultas em ação, "Litombe disse." Precisávamos de uma visão mais profunda da estrutura material. "

Pára-raios criogênico

A composição do material e as propriedades eletrônicas podem ser determinadas pela maneira como absorvem e emitem luz - um campo antigo chamado espectroscopia. No caso da supercondutividade, isso pode distinguir entre a superfície "brilhante" de um metal condutor e a opacidade de um isolador que interrompe a corrente.

Os cientistas passaram a escanear microscopia ótica de campo próximo (SNOM) para examinar o brilho espectroscópico nas vias HIB. Mas esta técnica, que canaliza a luz através de um capilar de vidro dourado, tem um limite de resolução de cerca de 100 nanômetros - grande demais para examinar as interfaces supercondutoras em nanoescala.

Felizmente, Gozar construiu um instrumento especializado para aumentar radicalmente a resolução espectroscópica. A máquina, construído inteiramente no Brookhaven Lab e agora instalado em Yale, combina SNOM com microscopia de força atômica (AFM). Como a agulha de uma vitrola extraindo som da textura do vinil, uma agulha AFM percorre um material e lê a topografia atômica.

"Aqui, a agulha AFM atua como um pára-raios, canalizando a luz SNOM para apenas dezenas de nanômetros, "Gozar disse." Temos topografia AFM simultânea e dados espectroscópicos nas estruturas químicas profundas. "

Crucialmente, O sistema AFM-SNOM de Gozar também opera nas temperaturas criogênicas necessárias para testar esses materiais - uma capacidade oferecida apenas em alguns laboratórios no mundo.

Ruína generalizada

A nova técnica revelou os danos inesperados e generalizados deixados na esteira dos íons de hélio. Apesar do foco de 0,5 nanômetro do feixe, seus efeitos sacudiram os átomos em uma extensão de 500 nanômetros e alteraram a estrutura o suficiente para evitar a supercondutividade. Para construção de nanomateriais, este chamado straggle lateral é totalmente insustentável.

"Mesmo o menor empurrão nessa escala destrói os fenômenos poderosos que pretendemos explorar, "Litombe disse." A supercondutividade de alta temperatura pode ter uma distância de coerência de apenas alguns átomos, então, esse efeito lateral é devastador. Estamos, claro, ainda emocionado em explorar os detalhes nunca antes vistos. "

Adicionado Bozovic, "Em certo sentido, todo o resultado foi negativo. Nosso objetivo inicial de criar fios supercondutores com nanômetros de espessura não foi totalmente alcançado. Mas descobrir por que abriu algumas portas verdadeiramente emocionantes. "

A técnica SNOM-AFM é prontamente aplicável a campos como plasmonics para tecnologia de exibição e o estudo do mecanismo por trás da supercondutividade de alta temperatura.

"A resolução em nanoescala e as capacidades tomográficas do instrumento, nos coloca à beira de descobrir novas verdades sobre fenômenos em nanoescala e a tecnologia que eles capacitam, "Gozar disse.