Благодаря лучшему пониманию того, как материалы взаимодействуют между собой, ученые могут легче настраивать свойства различных материалов, и это открывает двери для разработки более совершенных солнечных элементов, новых сверхпроводников и жестких дисков меньшего размера.
Результаты исследования были впервые опубликованы в научном журнале Nature Communication 14 апреля 2014 года.
Решение загадок физики конденсированного состояния
Некоторые из наиболее интересных проблем физики конденсированного состояния возникают на границах раздела разнородных материалов.
"Если вы соедините два материала вместе, вы сможете создать совершенно новые свойства. Например, два непроводящих немагнитных изолятора могут стать проводящими, а в некоторых случаях ферромагнитными и сверхпроводящими на их границе раздела ", — пояснил ассистент профессора Русиди. «Проблема в том, что мы еще не до конца понимаем, что происходит в интерфейсе."
Чтобы разрешить эту давнюю загадку физики конденсированного состояния, ученые NUS исследовали границу раздела между титанатом стронция и алюминатом лантана, двумя изоляторами, которые становятся проводниками на границе раздела. При этом команда раскрыла еще одну загадку.
"Для этого интерфейса теория предсказывает, что проводимость должна быть в десять раз выше, чем наблюдаемая. Итак, 90 процентов носителей заряда — электроны — отсутствуют.
Для нас полная загадка, почему это произошло », — сказал ассистент проф. Русиди.
Для поиска пропавших электронов ученые использовали высокоэнергетическую отражательную способность в сочетании со спектроскопической эллипсометрией. Они использовали яркий источник синхротронного излучения в Сингапурском источнике синхротронного света в NUS и Deutsches Elektronen-Synchrotron и осветили границу раздела двух материалов в широком диапазоне энергий.
Поглощение синхротронного излучения на определенных длинах волн позволило выявить энергетическое состояние соответствующих электронов и выявить их тайное место в кристаллической решетке. Было обнаружено, что только около 10% ожидаемых электронов могут свободно мигрировать к границе раздела двух материалов, образуя зону проводимости.
Остальные 90% связаны в молекулярной решетке в более высоких энергетических состояниях, которые не были видны источникам света, которые использовались в предыдущих поисках.
"Это стало неожиданностью", — сказал ассистент проф. Русиди. "Но это также объясняет, почему для полного раскрытия свойств интерфейса необходимо более одного слоя."
Далее он пояснил: «Все электроны в материале подобны маленькой антенне, которая реагирует на электромагнитное излучение на разных длинах волн, в зависимости от их энергетического состояния.
Если только часть электронов мигрирует к границе раздела, вам понадобится больший объем, чтобы компенсировать нарушение симметрии."
Дальнейшие исследования для лучшего понимания интерфейсов
Методика, разработанная учеными NUS, является началом их исследования основных характеристик интерфейса между материалами. Команда ожидает, что с лучшим пониманием интерфейсов их свойства можно будет легче настроить до желаемых характеристик.
На следующем этапе своего исследования ассистент профессор Русиди и его команда изучат взаимодействие между другими материалами.
Они также работают над созданием нового и уникального прожектора в Сингапурском источнике синхротронного света в Нью-Йорке, который будет использоваться в их исследованиях для выявления квантовых свойств на стыках сложных систем.