Forskarna tävlar om att utveckla nya material för kvantteknik inom databehandling och sensorer för ultraprecisa mätningar. För att dessa framtida tekniker ska kunna övergå från laboratoriet till verkliga tillämpningar krävs en mycket djupare förståelse av beteendet nära ytor, särskilt de vid gränssnitt mellan material.
Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har presenterat en ny teknik som kan bidra till att främja utvecklingen av kvantteknik. Deras innovation, ytkänslig spinntronisk terahertzspektroskopi (SSTS), ger en oöverträffad titt på hur kvantmaterial beter sig vid gränssnitt.
Arbetet publiceras i tidskriften Science Advances.
”Den här tekniken gör det möjligt för oss att studera ytfononer – de kollektiva vibrationerna hos atomer vid ett materials yta eller vid gränssnittet mellan material”, säger Zhaodong Chu, postdoktor vid Argonne och försteförfattare till studien. ”Våra resultat visar på slående skillnader mellan ytfononer och fononer i bulkmaterialet, vilket öppnar nya vägar för forskning och tillämpningar.”
I material som kristaller bildar atomer upprepade mönster som kallas gitter, som kan vibrera i vågor som kallas fononer. Medan mycket är känt om fononer i bulkmaterialet, är lite känt om ytfononer – de som uppstår inom nanometer från ett gränssnitt. Teamets forskning visar att ytfononer beter sig annorlunda, vilket möjliggör unika kvantbeteenden såsom supraledning vid gränsytor.
Supraledning, fenomenet att elektroner flyter utan motstånd, har tillämpningar inom teknik som MR-maskiner och partikelacceleratorer. Supraledning i gränssnittet – en typ som bara uppträder vid gränsen mellan två material – är ett löfte för ny kvantteknik.
”Idén till den här upptäckten började med att man för några år sedan upptäckte att gränssnitt mellan två kristallina material kan uppvisa supraledande egenskaper som inget av materialen uppvisar på egen hand”, säger Anand Bhattacharya, fysiker vid Argonne.
”Det är bara när de två materialen är tillsammans som supraledningens magi sker vid gränssnittet, som skiljer sig från bulken”, tillade Haidan Wen, fysiker vid Argonne.
Teamet trodde att en specifik typ av vibrationer i kristallen – den s.k. TO1-fononen – utlöser denna supraledning vid gränssnittet och försökte därför hitta direkta bevis för dess roll.
Det fanns två huvudsakliga utmaningar, förklarar Wen. För det första är gränssnittet begravt i provet och bara några nanometer tjockt, vilket gör det svårt att studera med konventionella metoder. För det andra behövde teamet arbeta med terahertzstrålning. Detta sker i ett frekvensområde som är tusen gånger högre än 5G-telefonnätverk. Många viktiga kvanteffekter inträffar i detta terahertzområde, men det är svårt att fånga dem med hög upplösning.
Forskarna använde sin SSTS-metod på prover som tillverkats genom att deponera en tunn magnetisk film på en oxidkristall. I den här metoden passerar ultrasnabba laserpulser genom oxidkristallen och träffar det tunna magnetiska lagret. Interaktionen mellan laserljus och materia ger sedan upphov till terahertzvibrationer vid oxidgränssnittet.
Genom att använda denna teknik upptäckte teamet TO1-fononen. De visade också att fononens beteende inom 5 nanometer från gränssnittet skiljde sig från bulk. Ytfononer är som vågor i den grunda änden av en sjö – de beter sig annorlunda än de i djupare vatten.
”Vår gränssnittskänsliga teknik kan tillämpas på ett brett spektrum av material för att undersöka svårfångade kvantbeteenden, inklusive magnetism och supraledning”, säger Michael Norman, Argonne Distinguished Fellow och chef för Argonne Quantum Institute. ”Vi har nu ett nytt fönster till kvantmaterial som kan visa vägen till nya kvantkomponenter för framtida teknologier.”
Bhattacharya tillade: ”Terahertz-ljus som interagerar med materia kan inte bara undersöka kvantmaterial på nya sätt, som i vår studie, utan också framkalla helt nya materietillstånd. Det här är en otroligt spännande väg för framtida forskning.”
Förutom de som citeras ovan inkluderar Argonne-författarna Junyi Yang, Yan Li, Jianguo Wen, Ashley Bielinski, Qi Zhang, Alex Martinson, Stephan Hruszkewycz och Dillon Fong. Bidragande var också Xiaodong Xu och Kyle Hwangbo från University of Washington.
För mer information: Zhaodong Chu et al, Revealing subterahertz atomic vibrations in quantum paraelectrics by surface-sensitive spintronic terahertz spectroscopy, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ads8601
