Wetenschappers onderzoeken quantumeigenschappen in de tweedimensionale limiet

Nieuws - 21 december 2017 - Communication TNW

Omdat elektronische componenten steeds kleiner worden, is begrip van de manier waarop materialen zich op nanoschaal gedragen cruciaal voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektronica. Helaas is het erg moeilijk om te voorspellen wat er gebeurt als materialen slechts een paar atoomlagen dik zijn. Om ons inzicht in de zogeheten 'quantumeigenschappen' van materialen te vergroten, onderzochten wetenschappers van de TU Delft dunne plakjes SrIrO3, een materiaal dat behoort tot de familie van complexe oxiden. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters.

De onderzoekers maakten de materialen met behulp van gepulseerde laserdepositie (PLD), een methode voor het afzetten van laagjes van kristallen met atomaire precisie. "We hebben gekeken naar kristallen met diktes tot 2 atomaire lagen (0,8 nanometer)", aldus onderzoeksleider Dirk Groenendijk, promovendus aan de TU Delft.

Elektronen kunnen normaal gesproken vrij bewegen in het materiaal, en SrIrO3 vertoont metallisch gedrag. De onderzoekers vonden echter dat er bij een dikte van 4 lagen een keerpunt blijkt te zijn. Bij deze dikte raken de elektronen gelokaliseerd en gaat het materiaal over naar een isolerende toestand. Tegelijkertijd vindt magnetische ordening plaats en worden de effecten van spin-baankoppeling versterkt. Deze laatste eigenschap is interessant voor de ontwikkeling van nieuwe magnetische opslagmedia, omdat de spin van het elektron kan worden gebruikt om informatie op te slaan en over te dragen.

De volgende generatie elektronische apparaten zal verdere miniaturisatie van hun componenten vereisen, en het zal niet lang meer duren voordat chipfabrikanten onder de 10 nanometer duiken. "Op deze schaal kun je het aantal atomen tellen, en betreed je het rijk van de quantummechanica", zegt Groenendijk. Voor toekomstige elektronica zijn wetenschappers ook op zoek naar nieuwe materialen met momenteel nog ontoegankelijke functionaliteiten. In dit opzicht zijn complexe oxiden veelbelovende kandidaten die een grote verscheidenheid aan exotische eigenschappen vertonen. Het onderzoek van Groenendijk en collega’s vormt een belangrijke stap richting het begrip van hun quantumeigenschappen in de tweedimensionale limiet.

 

Meer informatie: D.J. Groenendijk et al., Spin-Orbit Semimetal SrIrO3 in the Two-Dimensional Limit, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.256403