Solid-State Dealloying Enables Local Symmetry Breaking in Ternary Intermetallic Thin Films

Nel mondo della scienza dei materiali, gli scienziati cercano spesso nuovi stati della materia che si comportano in modi diversi dai materiali ordinari. Questi sono chiamati materiali quantistici, e possono condurre elettricità senza resistenza o trasportare informazioni in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Una chiave per sbloccare questi strani comportamenti è spesso la disposizione degli atomi all'interno del materiale. Se gli atomi sono disposti in un modello perfettamente equilibrato e simmetrico, il materiale potrebbe comportarsi in un certo modo. Ma se quella simmetria viene infranta — se gli atomi sono leggermente spostati o inclinati in una direzione specifica — il materiale può improvvisamente acquisire nuove, utili proprietà. La sfida è che molti di questi stati a simmetria infranta così interessanti sono instabili. Esistono solo in una stretta finestra di condizioni e spesso scompaiono se si tenta di crearli con i metodi standard. Per studiarli, i ricercatori devono trovare un modo per crearli senza distruggere la loro delicata struttura, e poi tenerli stabili abbastanza a lungo da misurarne i segreti.

Un team di ricercatori della California Institute of Technology e della The Ohio State University ha trovato un modo intelligente per fare esattamente questo. Si sono concentrati su una specifica miscela di tre elementi: lantanio, argento e germanio. Quando crescono direttamente su una superficie cristallina, questi elementi formano naturalmente una struttura in cui gli atomi di argento e germanio sono impilati in un modello polare e ondulato. Questa disposizione è stabile, ma non possiede le proprietà elettroniche speciali che gli scienziati volevano studiare. Avevano bisogno di una struttura diversa, una in cui gli atomi di argento e germanio formassero un foglio piatto, simile a un nido d'ape, simile agli strati presenti in un noto superconduttore chiamato diboruro di magnesio. Tuttavia, tentare di far crescere direttamente questa struttura piatta è fallito; gli atomi semplicemente si rifiutavano di stabilizzarsi in quella forma.

Per risolvere il problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica che chiamano dealligazione allo stato solido. Per prima cosa, hanno fatto crescere la versione stabile e ondulata del materiale su un cristallo di zaffiro utilizzando un metodo che spruzza gli atomi sulla superficie uno alla volta. Una volta che questo film iniziale era in posizione, lo hanno riscaldato a temperature compresi tra 800 e 900 gradi Celsius mantenendo una scorta di argento nelle vicinanze. Questo calore ha agito come una spinta gentile ma ferma. Ha fatto sì che gli atomi di argento lasciassero il film in modo controllato, ma non tutti. Mentre l'argento partiva, gli atomi rimanenti si sono riorganizzati. La struttura polare e ondulata è collassata e si è appiattita, trasformandosi nel desiderato schema a nido d'ape. Questo processo ha trasformato un materiale stabile e non superconduttore in una nuova fase metastabile che poteva condurre elettricità con resistenza zero a temperature molto basse.

La trasformazione non è stata solo un cambiamento nella forma media del materiale; ha rivelato una complessità nascosta. Quando gli scienziati hanno osservato il nuovo film con un microscopio elettronico capace di vedere i singoli atomi, hanno scoperto che la struttura non era perfettamente piatta ovunque. Sebbene il modello generale apparisse come un nido d'ape piatto, gli atomi di argento e germanio si stavano in realtà spostando verso l'alto e verso il basso in piccoli lotti locali. Alcuni si spostavano verso l'alto, altri verso il basso. Ciò significa che, mentre il materiale appare simmetrico da lontano, è localmente infranto e irregolare. Queste minuscole distorsioni locali sono esattamente il tipo di caratteristica che può influenzare il modo in cui si muovono gli elettroni, portando potenzialmente al comportamento superconduttore unico osservato.

Il nuovo materiale si è dimostrato essere un superconduttore, il che significa che poteva trasportare una corrente elettrica senza perdita di energia, ma solo quando raffreddato a temperature inferiori a un Kelvin. Questo è più freddo dello spazio profondo. I ricercatori hanno scoperto che la capacità del materiale di diventare superconduttore dipendeva fortemente da quanto argento rimaneva nel film e da quanto era spesso il film stesso. I risultati migliori derivavano da film molto sottili, circa 14-17 nanometri di spessore, e con un rapporto specifico tra argento e lantanio. In questi film sottili, lo stato superconduttore era sorprendentemente robusto. Quando applicavano un campo magnetico per cercare di interrompere la superconduttività, il materiale resisteva molto più fortemente di quanto la fisica standard prevederebbe per un materiale del suo tipo. Nello specifico, il campo magnetico necessario per interrompere la superconduttività quando applicato parallelamente alla superficie del film era potenziato da un fattore compreso tra circa 1,8 e 5,0 rispetto al limite teorico per un semplice superconduttore a debole interazione, con i film superconduttori più sottili che raggiungevano generalmente un fattore di potenziamento di circa 6.

Questa resistenza ai campi magnetici suggerisce che la simmetria locale infranta all'interno del film stia facendo qualcosa di importante. I ricercatori sospettano che lo spostamento verso l'alto e verso il basso degli atomi crei un ambiente speciale per gli elettroni, proteggendoli dall'essere espulsi dal loro stato superconduttore dal campo magnetico. Lo studio ha anche mostrato che se il film fosse stato reso troppo sottile, al di sotto di circa 5,3 nanometri, l'elettricità non avrebbe più potuto fluire attraverso di esso, probabilmente perché il disordine nel materiale sarebbe diventato troppo forte. Ciò stabilisce un limite chiaro su quanto piccoli possano essere realizzati questi film pur continuando a funzionare.

Combinando un processo di creazione passo dopo passo con un riscaldamento preciso, il team ha dimostrato un nuovo modo per accedere a materiali che sono solitamente impossibili da realizzare. Hanno dimostrato che si può partire da una struttura stabile e facile da far crescere e poi usare il calore per rimuovere selettivamente gli atomi e forzare il materiale in una nuova forma, più complessa. Questo approccio apre la porta alla creazione di altri materiali instabili ad alte prestazioni che potrebbero essere stati persi con i metodi tradizionali. Il lavoro evidenzia come il controllo della disposizione degli atomi alla scala più piccola possa portare a cambiamenti drammatici nel modo in cui un materiale si comporta, offrendo un nuovo set di strumenti per ingegneri e scienziati che vogliono costruire i dispositivi elettronici del futuro.