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

In de wereld van de materiaalkunde zoeken wetenschappers vaak naar nieuwe toestanden van materie die zich op manieren gedragen die niet overeenkomen met alledaagse materialen. Dit worden kwantummaterialen genoemd, en ze kunnen elektriciteit geleiden zonder weerstand of informatie dragen op manieren die onze dagelijkse intuïtie tarten. Een sleutel tot het ontsluiten van deze vreemde gedragingen is vaak de ordening van atomen binnen het materiaal. Als de atomen in een perfect gebalanceerd, symmetrisch patroon zijn gerangschikt, kan het materiaal op een bepaalde manier reageren. Maar als die symmetrie wordt doorbroken—als de atomen in een specifieke richting licht verschoven of gekanteld zijn—kan het materiaal plotseling nieuwe, nuttige eigenschappen verkrijgen. De uitdaging is dat veel van deze interessante toestanden met gebroken symmetrie instabiel zijn. Ze bestaan alleen in een nauw venster van omstandigheden en verdwijnen vaak als men probeert ze met standaardmethoden te maken. Om ze te bestuderen, moeten onderzoekers een manier vinden om ze te creëren zonder hun delicate structuur te vernietigen, en ze vervolgens stabiel genoeg vasthouden om hun geheimen te meten.

Een team van onderzoekers van het California Institute of Technology en The Ohio State University heeft een slimme manier gevonden om precies dit te doen. Ze concentreerden zich op een specifieke mengeling van drie elementen: lanthanum, zilver en germanium. Wanneer ze direct op een kristaloppervlak worden gegroeid, vormen deze elementen van nature een structuur waarbij de zilver- en germaniumatomen zijn gestapeld in een golvend, polair patroon. Deze ordening is stabiel, maar het heeft niet de speciale elektronische eigenschappen die de wetenschappers wilden bestuderen. Ze hadden een andere structuur nodig, een waarbij de zilver- en germaniumatomen een platte, honingraatachtige plaat vormden, vergelijkbaar met de lagen die te vinden zijn in een bekende supergeleider genaamd magnesiumdiboride. Echter, het direct kweken van deze platte structuur mislukte; de atomen weigerden simpelweg in die vorm te gaan zitten.

Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers een techniek die ze solid-state dealloying noemen. Eerst kweekten ze de stabiele, golvende versie van het materiaal op een saffierkristal met een methode waarbij atomen één voor één op het oppervlak worden gespoten. Zodra deze initiële film op zijn plaats was, verhitten ze deze tot temperaturen tussen de 800 en 900 graden Celsius, terwijl ze een aanvoer van zilver in de buurt hielden. Deze hitte fungeerde als een zachte maar stevige duw. Het zorgde ervoor dat de zilveratomen op een gecontroleerde manier uit de film vertrokken, maar niet allemaal. Terwijl het zilver vertrok, rangschikten de resterende atomen zich opnieuw. De golvende, polaire structuur stortte in en vlakte af, waardoor deze transformeerde in het gewenste honingraatpatroon. Dit proces veranderde een stabiel, niet-supergeleidend materiaal in een nieuwe, metastabiele fase die elektriciteit met nul weerstand kon geleiden bij zeer lage temperaturen.

De transformatie was niet alleen een verandering in de gemiddelde vorm van het materiaal; het onthulde een verborgen complexiteit. Toen de wetenschappers de nieuwe film bekeken met een elektronenmicroscoop die individuele atomen kon zien, ontdekten ze dat de structuur niet overal perfect vlak was. Hoewel het algemene patroon eruitzag als een platte honingraat, waren de zilver- en germaniumatomen in werkelijkheid in kleine, lokale segmenten omhoog en omlaag verschoven. Sommigen verschoven omhoog, anderen omlaag. Dit betekent dat hoewel het materiaal van een afstand symmetrisch lijkt, het lokaal gebroken en ongelijkmatig is. Deze kleine, lokale verstoringen zijn precies het soort kenmerk dat de beweging van elektronen kan beïnvloeden, wat potentieel leidt tot het unieke supergeleidende gedrag dat werd waargenomen.

Het nieuwe materiaal bleek een supergeleider te zijn, wat betekent dat het een elektrische stroom kon vervoeren zonder energieverlies, maar alleen wanneer het werd afgekoeld tot temperaturen onder de één Kelvin. Dit is kouder dan de diepe ruimte. De onderzoekers ontdekten dat het vermogen van het materiaal om supergeleidend te zijn sterk afhing van hoeveel zilver er in de film achterbleef en hoe dik de film was. De beste resultaten kwamen van films die zeer dun waren, ongeveer 14 tot 17 nanometer dik, en een specifieke verhouding van zilver tot lanthanum hadden. In deze dunne films was de supergeleidende staat verrassend robuust. Wanneer zij een magnetisch veld toepasten om de supergeleiding te stoppen, bood het materiaal veel meer weerstand dan de standaard fysica zou voorspellen voor een materiaal van dit type. Specifiek werd het magnetische veld dat nodig was om de supergeleiding te stoppen wanneer het parallel aan het oppervlak van de film werd toegepast, versterkt met een factor variërend van ongeveer 1,8 tot 5,0 vergeleken met de theoretische limiet voor een eenvoudige, zwak interagerende supergeleider, waarbij de dunste supergeleidende films algemeen een versterkingsfactor van ongeveer 6 bereikten.

Deze weerstand tegen magnetische velden suggereert dat de lokale, gebroken symmetrie binnen de film iets belangrijks doet. De onderzoekers vermoeden dat het op-en-neer verschuiven van de atomen een speciale omgeving voor de elektronen creëert, die hen beschermt tegen het uit de supergeleidende staat worden gestoten door het magnetische veld. De studie toonde ook aan dat als de film te dun werd gemaakt, onder ongeveer 5,3 nanometer, de elektriciteit niet langer door de film kon stromen, waarschijnlijk omdat de wanorde in het materiaal te sterk werd. Dit stelt een duidelijke grens aan hoe klein deze films gemaakt kunnen worden terwijl ze nog steeds functioneren.

Door een stapsgewijs creatieproces te combineren met nauwkeurige verhitting, heeft het team aangetoond hoe men toegang krijgt tot materialen die gewoonlijk onmogelijk te maken zijn. Ze lieten zien dat je kunt beginnen met een stabiele, gemakkelijk te kweken structuur en vervolgens hitte kunt gebruiken om selectief atomen te verwijderen en het materiaal in een nieuwe, complexere vorm te dwingen. Deze aanpak opent de deur naar het creëren van andere instabiele, hoogwaardige materialen die door traditionele methoden mogelijk over het hoofd zouden zijn gezien. Het werk benadrukt hoe het beheersen van de ordening van atomen op de kleinste schaal kan leiden tot dramatische veranderingen in hoe een materiaal zich gedraagt, wat een nieuw instrumentarium biedt voor ingenieurs en wetenschappers die de elektronische apparaten van de toekomst willen bouwen.