Эти новые материалы будут разработаны и усовершенствованы в масштабе пикометра, который в тысячу раз меньше нанометра и в миллион раз меньше микрометра (который сам по себе меньше ширины человеческого волоса). Для выполнения этой работы ученым потребуется обучение работе с множеством нового оборудования, которое может измерять и направлять такие тщательно контролируемые материалы.
Работа включает теоретическое проектирование материалов, их изготовление и определение их свойств.
В Йельском университете у них есть название; они называют это "пиконаукой"."
«Исследователи из Йельского университета изобретают новые материалы, которые являются небольшими, быстрыми и могут работать множеством способов, таких как имитация нейронов в мозгу, вычисления с помощью магнитов и вычисления с помощью квантовой механики», – сказал Фредерик Уокер, старший научный сотрудник. в лаборатории Чарльза Ана, John C. Мэлоун, профессор прикладной физики, машиностроения и материаловедения, а также физики, заведующий кафедрой прикладной физики.
Ан – старший автор нового исследования, которое продвигает пиконауку в еще одном направлении: берет элементы из периодической таблицы и работает с ними на субатомном уровне, чтобы выявить новые материалы.
Сангже Ли, аспирант лаборатории Ана и первый автор исследования, разработал и вырастил новый материал, который представляет собой искусственный слоистый кристалл, состоящий из элементов лантана, титана, кобальта и кислорода.
Исследователи наслоили элементы по одной атомной плоскости за раз, так что листы оксида титана толщиной в один атом переносят электрон на листы оксида кобальта толщиной в один атом. Это изменило электронную конфигурацию и магнитные свойства листа оксида кобальта.
«Мы смогли манипулировать составляющими атомами с точностью намного меньшей, чем сам атом», – сказал Ли. «Эти типы новых кристаллов могут стать основой для разработки новых магнитных материалов, где тонкий баланс между магнетизмом и электронной проводимостью на таких малых масштабах длины может быть достигнут в новых транзисторных устройствах, которые имеют преимущества в производительности по сравнению с современными транзисторами."
Ли обучался работе с рядом приборов, которые разрабатываются в Национальном синхротронном источнике света II в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Синхротрон – это машина размером примерно с футбольное поле, которая разгоняет электроны почти до скорости света. Электроны генерируют чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, которые исследователи используют в экспериментах.
Новое исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, и в нем представлены соавторы из Йельского университета, Брукхейвена, Института Флэтайрон и Аргоннской национальной лаборатории. Соавторами Йельского университета, помимо Ан и Ли, являются Сохраб Исмаил-Бейги, Алекс Тэкён Ли, Уокер, Анкит Диса и Ичен Джиа.
Помимо разработки и выращивания новых материалов, Санджэ Ли охарактеризовал их и проанализировал результаты.
С теоретической точки зрения коллеги из Йельского университета Алекс Тэкиунг Ли и Александру Георгеску, который сейчас работает в Центре вычислительной квантовой физики в Институте Флэтайрон, использовали квантово-механические вычисления для вычисления структуры материалов и ее влияния на их электронную конфигурацию. Эта работа позволила команде описать магнитное состояние материалов.
Йельский университет определил разработку квантовых материалов в качестве приоритетной области исследований, предвидя их использование в новых вычислительных системах, которые намного превзойдут современные компьютеры.
Университет также отметил важность сотрудничества с Брукхейвеном, располагающим одними из самых передовых в США средств определения характеристик материалов, включая новейший в стране синхротрон.
«Изобретение новых материалов было в основе технологических достижений, которые изменили нашу жизнь», – сказал соавтор Исмаил-Бейги, профессор прикладной физики в Йельском университете. "Новые электронные материалы способствовали постоянно расширяющимся возможностям сотовых телефонов, компьютеров, планшетов, умных часов и медицинских устройств."
Соавтор Уокер подчеркнул важность общения между экспериментаторами и теоретиками при проведении исследований в области пиконауки: «Синергетическая обратная связь между теоретическим проектированием и экспериментальным производством имеет решающее значение для успешного открытия свойств новых материалов», – сказал он. "Этот цикл обратной связи стал визитной карточкой программы обнаружения материалов Национального научного фонда и первоначально был разработан в Йельском университете."
Работа поддержана U.S.
Управление научных исследований ВВС США, Национальный научный фонд и U.S. Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики.