Le misurazioni a ultrasuoni di atomi vibranti nelle nanostrutture annunciano una nuova classe di tecnologia

I ricercatori di Vanderbilt, Socrates Pantelides e Joshua Caldwell, fanno parte di una collaborazione internazionale che ha dimostrato un nuovo metodo per manipolare e misurare minuscole vibrazioni atomiche nei nanomateriali. Questa svolta potrebbe consentire di sviluppare funzionalità personalizzate per migliorare e creare nuove tecnologie.

I fasci di elettroni in potenti microscopi hanno sondato con precisione materiali e nanostrutture a livello atomico, immaginato disposizioni atomiche e, in combinazione con la teoria, hanno rivelato proprietà elettroniche e magnetiche. Sviluppi recenti in microscopia Aiuta a ricevere segnali direttamente da fononi, che sono modi vibrazionali, con alta precisione sia nello spazio che nell’energia. I ricercatori possono ora misurare modalità vibrazionali distinte alle interfacce in strutture multistrato, difetti e altre disomogeneità.

“Il nostro team ha combinato queste misurazioni con sensori laser e indagini teoriche per ottenere un quadro completo della fisica fondamentale che alla fine costituirà la base delle nuove tecnologie”, ha affermato Pantelides.

In questa ricerca pubblicata sulla rivista temperare la natura Il 26 gennaio, il team ha posizionato due diversi ossidi in una nanostruttura simile a Lego chiamata A. superreticolo. Le strutture sono state riprese a livello atomico da Eric Hoglund, primo autore del documento di ricerca e ricercatore presso l’Università della Virginia. Jordan A. Huchtel, un ex studente di Pantelides ed esperto di microscopia presso il Center for Nanomaterials Science presso l’Oak Ridge National Laboratory, ha effettuato misurazioni precise dei modelli vibrazionali di questi complessi superlattici.

Caldwell, un College of Engineering Fellow con Flowers Family Counselor e Assistant Professor di ingegneria meccanica, e il suo studente Joseph Mattson hanno eseguito la spettroscopia infrarossa complementare dei modi vibrazionali. Pantelides, illustre professore universitario di fisica e ingegneria, e i professori di fisica William A. e Nancy F. hanno eseguito calcoli teorici che hanno fornito connessioni tra diversi esperimenti per formare un quadro completo. La ricerca congiunta ha dimostrato che quando lo spessore degli strati nei superreticoli si restringe, il vibrazioni atomiche Inizialmente è dominato da quelli nei due liquidi, ma gradualmente evolve per essere dominato dalle interfacce atomiche, che definiscono una nuova struttura cristallina.

Precedenti combinazioni di calcoli teorici che utilizzano la meccanica quantistica con esperimenti fisici hanno consentito a fisici e ingegneri di capire come si comportano i materiali. Indagini come questa hanno portato alla creazione e allo sviluppo dei dispositivi digitali che oggi diamo per scontati. I microscopi elettronici hanno svolto un ruolo importante in questi compiti, ma fino a poco tempo fa non avevano una risoluzione sufficiente per visualizzare le vibrazioni atomiche.

“Le proprietà emergenti risultano su scala nanometrica, specialmente quando mettiamo insieme i materiali. E da queste combinazioni otteniamo nuovi comportamenti che non ci aspettavamo”, ha detto Pantelides. “Ogni volta che c’è una struttura con nuove proprietà, la mente ingegneristica va direttamente a pensare a nuovi materiali con nuove funzioni e nuovi dispositivi. In poche parole, è così che viene creata la tecnologia”.

Caldwell e Mattson stavano studiando le proprietà infrarosse dei superreticoli su scala atomica. “Le proprietà infrarosse dei cristalli polari sono guidate principalmente dai fononi ottici dei materiali. Pertanto, questo lavoro si basa su un concetto che chiamiamo ibridazione cristallina, in cui gruppi di materiali atomicamente sottili possono essere utilizzati in superreticoli per indurre proprietà emergenti “, ha detto Caldwell. Questo sforzo è notevolmente migliorato dimostrando che queste misurazioni possono essere ridotte per misurare il comportamento più accurato mai registrato.

Questo lavoro ha il potenziale per migliorare le conoscenze attraverso il microscopio, le scienze ottiche, la fisica e l’ingegneria. “Abbiamo cambiato radicalmente questa tecnologia. Migliorando il metodo di misurazione, possiamo lavorare meglio e affrontarli Nanomateriali. Siamo più fiduciosi nella nostra capacità di progettare strutture con caratteristiche personalizzate”.

Pantelides e Caldwell continueranno a collaborare con l’Oak Ridge National Laboratory per perseguire ulteriori progressi in quest’area, in particolare espandendosi a varie strutture cristalline e altri sistemi materiali di interesse come i semiconduttori a base di nitruro.

La ricerca ha coinvolto ricercatori dell’Università della Virginia, Sandia National Laboratory, University of California Berkeley, Purdue University, Humboldt University e Paul Drude Institute in Germania.