Como ondulações em uma lagoa, elétrons viajam como ondas através dos materiais, e quando eles colidem e interagem, eles podem dar origem a padrões novos e interessantes.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) viram um novo tipo de padrão de onda emergir em uma fina película de óxido de metal conhecido como titânia quando sua forma é confinada. Confinamento, o ato de restringir materiais dentro de um limite, pode alterar as propriedades de um material e o movimento das moléculas através dele.

No caso da titânia, fez com que os elétrons interferissem uns com os outros em um padrão único, que aumentou a condutividade do óxido, ou o grau em que conduz eletricidade. Tudo isso aconteceu em mesoescala, uma escala onde os cientistas podem ver os efeitos quânticos e o movimento dos elétrons e moléculas.

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, "disse o autor principal Frank Barrows, um estudante de graduação da Northwestern University na Divisão de Ciência de Materiais de Argonne (MSD). "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 os elétrons e os íons interagem. "

Alterando a geometria para alterar as propriedades do material

Normalmente, quando uma corrente elétrica é aplicada a um óxido como a titânia, elétrons fluem através do material em uma forma de onda simples. Ao mesmo tempo, íons - ou partículas carregadas - também se movem. Esses processos dão origem às propriedades de transporte eletrônico do material, como condutividade e resistência, que são explorados 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, "disse o co-autor Charudatta Phatak, um cientista de materiais e líder de grupo no MSD de Argonne.

Para iniciar, pesquisadores criaram filmes de titânia, então projetou um padrão neles. No padrão, havia buracos com apenas 10 a 20 nanômetros 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 fez com que as ondas de elétrons interferissem umas nas outras, o que levou o óxido a conduzir mais eletricidade.

"O padrão de interferência basicamente mantinha no lugar o oxigênio ou íons que normalmente estariam se movendo em materiais como a titânia. E descobrimos que mantê-los no lugar era importante ou necessário para obter interferência construtiva dessas ondas, "Phatak disse.

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 (CNM) da Argonne, um 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." Experiência e recursos da CNM e da Divisão de Ciência de Materiais da Argonne provaram ser essenciais para nos ajudar a observar esse comportamento emergente. "

Aplicações futuras

No futuro, se os pesquisadores puderem entender melhor o que deu origem ao aumento da condutividade, eles poderiam encontrar maneiras de controlar 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 interessantes 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. "