Подобно ряби в пруду, электроны распространяются как волны через материалы. А когда они сталкиваются и взаимодействуют, могут порождать новые и интересные закономерности.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) провели наблюдение за тем, как в тонкой пленке оксида металла появляется новый вид волновой картины, когда ее форма ограничена. А ограничение может изменить свойства материала и движение молекул через него.
Сообщается, что это привело к тому, что электроны взаимодействовали друг с другом по уникальной схеме, что увеличило проводимость оксида или степень, в которой он проводит электричество. Все это произошло в мезомасштабе, в масштабе, где ученые могут видеть как квантовые эффекты, так и движение электронов и молекул.
Эта работа дает ученым больше информации о том, как атомы, электроны и другие частицы ведут себя на квантовом уровне. Такая информация может помочь в разработке новых материалов.
“Что действительно отличало эту работу, так это масштаб, который мы исследовали, – рассказывает ведущий автор Фрэнк Барроуз, аспирант Северо-Западного университета в Отделе материаловедения в Аргонне (MSD). – Исследования в этом уникальном масштабе длины позволили нам увидеть действительно интересные явления, которые указывают на то, что на квантовом уровне происходит интерференция, и в то же время получить новую информацию о том, как взаимодействуют электроны и ионы”.
Для начала исследователи создали фильмы о титании (плёнке из оксида металла), а затем нанесли на них рисунок. В узоре были отверстия, которые находились всего в 10-20 нанометрах друг от друга. Добавление геометрического рисунка изменило движение электронов так же, как бросание камней в водоем изменяет волны, которые проходят через него. В случае титании этот паттерн вызывал интерференцию электронных волн друг с другом, что приводило к тому, что оксид проводил больше электричества.
Учёные исследовали проводимость и другие свойства, используя два метода: электронную голографию и спектроскопию потерь энергии электронов. С этой целью они использовали ресурсы Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), Пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики, для изготовления своих образцов и проведения некоторых измерений.
В будущем, как отмечают специалисты, если они смогут лучше понять, что привело к увеличению проводимости, они потенциально могут найти способы управления электрическими или оптическими свойствами и использовать эту информацию для квантовой обработки информации. Эта информация также может быть использована для расширения понимания материалов, которые могут переключать сопротивление.
