Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Makso Planko instituto Štutgarte (Vokietija) tyrėjų, pirmąkart tiksliai išnagrinėjo, kaip pakinta fizikinės medžiagos savybės, kuomet panaudojama ne trimatė, bet dvimatė jos atmaina. Iš tikrųjų smarkiai atšaldžius plėvelę, sudarytą iš dviejų medžiagos sluoksnių, ši ima pasižymėti visiškai kitokiomis magnetinėmis ir elektroninėmis savybėmis nei keturių sluoksnių plėvelė.
Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Makso Planko instituto Štutgarte (Vokietija) tyrėjų, pirmąkart tiksliai išnagrinėjo, kaip pakinta fizikinės medžiagos savybės, kuomet panaudojama ne trimatė, bet dvimatė jos atmaina. Iš tikrųjų smarkiai atšaldžius plėvelę, sudarytą iš dviejų medžiagos sluoksnių, ši ima pasižymėti visiškai kitokiomis magnetinėmis ir elektroninėmis savybėmis nei keturių sluoksnių plėvelė. Galimybė valdyti fizikines medžiagos savybes, keičiant šios dimensijas, leidžia mokslininkams pagalvoti apie efektyvų norimų savybių medžiagų nustatymo metodą.
Puslaidininkių pramonė po truputį pradeda išsikvėpti. Nuolat mažėjant elektroninių sudedamųjų dalių dydžiui, laidieji takeliai ir tranzistoriai netrukus turėtų pasiekti atomų matmenis. Šiuolaikiniais metodais praktiškai neįmanoma tinkamai valdyti tokių smulkių struktūrų gamybą. Tuo labiau, kad veikiant tokiems elementams dėl elektrinės varžos išsiskirtų tiek šilumos, jog ši greičiausiai pakeistų jų formą. Panašu, kad puslaidininkių elektronikos erai artėjant prie neišvengiamos pabaigos, metalų oksidai gali sudaryti rimtą alternatyvą. Ši medžiagų klasė apima ne tik magnetinėmis savybėmis pasižyminčius darinius, bet superlaidininkus, kuriais elektros srovė teka nesutikdama jokio pasipriešinimo.
Šaldant dviejų sluoksnių LaNiO3 plėvelę, iš pradžių elektronai lokalizuojasi ties teigiamais nikelio atomų branduoliais. Toliau mažinant temperatūrą, sukiniai, suteikiantys elektronams magnetinius momentus, išsirikiuoja taip, kad būtų antilygiagretūs. Tačiau keturių sluoksnių storio plėvelėje elektronai išlieka laisvi netgi esant žemoms temperatūroms, o jų sukiniai orientuoti netvarkingai.
Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Makso Planko instituto Štutgarte tyrėjų, sėkmingai kuria naują norimų metalo oksidų savybių parinkimo metodą. Ši mokslininkų grupė, į kurios sudėtį taip pat įeina Polo Šererio instituto Vilingene bei Friburgo universiteto (abu Šveicarija) atstovai, yra pirmieji, kuriems pavyko tiksliai išsiaiškinti, kaip erdvinės medžiagos dimensijos veikia jos fizikines savybes. „Mes kruopščiai nagrinėjame tai, ką fizikai iki šiol sugebėjo valdyti labai netiksliai“, – teigia minėtojo Makso Planko instituto direktorius Bernardas Kaimeris (Bernhard Keimer). Iki šiol fizikams nepavyko nustatyti, kokią įtaką dimensijos (tarp kitų veiksnių) turi elektroniniam ir magnetiniam medžiagos elgesiui. Pasirodo, ši įtaka yra didžiulė.
Mokslininkai nagrinėjo lantano nikelio oksidą LaNiO3, kurio sudėtyje be elektriškai neaktyvių lantano ir deguonies atomų yra nikelio. Šis junginys sudomino tyrėjus todėl, kad nikelis turi ypatingus elektronus, kurie pasižymi nuolat fizikus stebinančiais magnetiniais momentais. Ši savybė praktiškai nestebima, kuomet nagrinėjamas stambus nikelio darinys, įskaitant ir didesnius nei keturių medžiagos sluoksnių bandinius (netgi jeigu jų matmenys siekia vos kelis nanometrus). Tokio pavidalo lantano nikelio oksidas yra laidininkas, o jo elektronų magnetiniai momentai juda kaip besisukiojantys magnetukai. Toks šios keturių medžiagos sluoksnių bandinio elgesys išliko ir atšaldžius jį praktiškai iki absoliutaus nulio (-273 °C).
„Kuomet nagrinėjamas dviejų medžiagos sluoksnių bandinys, savybės visiškai pakinta“, – tęsia B. Kaimeris. Atšaldžius medžiagą iki –100 °C temperatūros, ši tapo elektriškai nelaidi. Plonoje plėvelėje elektronai atsiduria nepatogioje padėtyje: jie vienas kitą stumia, tačiau nepajėgia nuo vienas kito nutolti bent kiek didesniu atstumu, todėl daugiau ar mažiau pasilieka atomo ribose. Tai reiškia, kad elektros srovės tekėjimas pasidaro nebegalimas.
Tai ne vienintelis efektas, kuris išryškėjo nagrinėjant plonus metalo oksido sluoksnius. Kai fizikai bandinį ėmė šaldyti toliau ir pasiekė –220 °C temperatūrą, medžiaga tapo magnetiškai tvarki. Jei kalbant tiksliau, įsivyravo antiferomagnetinė tvarka: elektronų magnetiniai momentai išsirikiavo antilygiagrečiai, kitaip tariant, kiekvienas artimiausias magnetuko kaimynas buvo nukreiptas priešinga kryptimi.
„Galime keisti elektronines ir magnetines medžiagos savybes specifiniu būdu: pridėdami du medžiagos sluoksnius“, – teigia B. Kaimeris. Pirmasis sunkumas, su kuriuo susidūrė fizikai atlikdami bandymus, buvo išsiaiškinti, kaip tokiu tikslumu kontroliuoti bandinio storį. „Taikydami įprastinius cheminius metodus, mes negalime būti tikri, ką iš tikrųjų galiausiai gausime“, – pasakoja Aleksandras Borisas (Alexander Boris), ženkliai prisidėjęs prie atliktų tyrimų. Taigi tyrėjai pasinaudojo fizikoje taikomu metodu – impulsiniu lazeriniu nusodinimu. Dirbdami vakuuminėje kameroje, mokslininkai lazerio impulsais išgarino itin tikslius lantano nikelio oksido kiekius. Metalo oksidas nusodinamas ant praktiškai idealios plokštumos ir švaraus paviršiaus, todėl esant tinkamai temperatūrai suformuoja tvarkingą pageidaujamo storio plokščią sluoksnį.
Vis dėl to tai dar nereiškia, jog tyrėjai jau įveikė visus eksperimentinius sunkumus, mat kelių atominių sluoksnių storio bandinių elektronines ir magnetines savybes galima nustatyti tiktai taikant tam tikras gudrybes. Pavyzdžiui, fizikai negali prie bandinio prijungti dviejų kabelių ir taip paprastai išmatuoti bandinio laidumą. „Nepriklausomai nuo to, kaip tiksliai bus išaugintos plonosios plėvelės, laikiklinė medžiaga visada kur nors turės atominį išsikišimą, – aiškina A. Borisas. – Šis atominis išsikišimas bus aptinkamas ir nusodintame sluoksnyje.“ Įprastinis laidumo matavimas neduos nieko gero, nes toks išsikišimas nutrauks srovės tekėjimą. Taigi tyrėjai į bandinį nukreipė intensyvią infraraudonosios lazerio spinduliuotės pluoštą. Šio šaltinio spinduliuojamos bangos svyruoja tiktai viena kryptimi. Tai, kaip svyravimų kryptis kinta, kuomet pluoštas atspindimas nuo bandinio, suteikia tyrėjams informacijos apie medžiagos elektronų judrį ir tuo pačiu apie jos laidumą.
Lygiai taip pat sudėtinga nustatyti vidinę dviejų sluoksnių plėvelės antiferomagnetinę tvarką, nes magnetiniai momentai dėl antilygiagretumo vienas kitą tiksliai panaikina. Čia mokslininkai į pagalbą pasitelkė miuonus – nestabilias elementariąsias daleles, susidarančias dalelių greitintuvuose. Jie primena elektronus, tik jų magnetinis momentas žymiai silpnesnis. Nors miuonai, nukreipti į bandinius, skyla metalo oksido sluoksniuose, jų fragmentų trajektorijos išduoda, kokia medžiagos magnetinių momentų orientacija.
„Dabar mes norime pritaikyti panašų metodą, kad išsiaiškintume, kaip bandinio dimensija paveikia elektronines metalo oksidų, tampančių superlaidžiais pasiekus tam tikrą temperatūrą, savybes“, – ateities planais pasidalina B. Kaimeris.
