En utilisant des techniques de précision pour faire films minces supraconducteurs, couche par couche, les physiciens de l' Department of Energy américain (DOE) Laboratoire national de Brookhaven ont identifié une seule couche responsables de la capacité d'une matière telle de devenir supraconducteurs, c'est à dire, transporter le courant électrique sans énergie perte. La technique décrite dans le Octobre 30, 2009, numéro de Science, pourrait être utilisé pour fabriquer des films ultraminces avec "accordables" supraconductivité pour les appareils électroniques à haut rendement.
Ce graphique montre l'intérieur de la chambre de l'épitaxie par jets moléculaires où les couches minces sont fabriquées couche par couche, montrant une restitution des artistes du processus de synthèse du film.
«Nous voulions répondre à une question fondamentale à propos des films tels", a déclaré le physicien de Brookhaven et le chef de groupe Ivan Bozovic. »A savoir: Comment mince peut être le film tout en conservant supraconductivité à haute température?"
Le diluant la matière (et le plus sa température de transition à un supraconducteur), plus le potentiel pour des applications où la supraconductivité peut être contrôlé par un champ électrique externe. «Ce type de contrôle est difficile à réaliser avec des films plus épais, car un champ électrique ne pénètre pas dans les métaux plus d'un nanomètre ou deux», explique Bozovic.
Pour explorer les limites de la minceur, le groupe de Bozovic synthétisé une série de films basés sur les cuprates supraconducteurs à haute température (oxydes de cuivre) - des matériaux qui transportent le courant sans perte d'énergie lorsqu'il est refroidi en dessous d'une température de transition de certains (Tc). Depuis le zinc est connu pour supprimer la supraconductivité dans ces matériaux, les scientifiques ont systématiquement substitué une petite quantité de zinc dans chacune des couches d'oxyde de cuivre. Toute la couche où la présence du zinc a eu un effet suppresseur seraient clairement identifiés comme essentiels à la supraconductivité dans le film.
«Nos mesures ont montré que le dopage en zinc avait essentiellement aucun effet, sauf lorsqu'il est placé dans une seule couche bien définis. Lorsque le zinc a été dans cette couche, la supraconductivité a été considérablement supprimé", a déclaré Bozovic.
Le matériau étudié par l'équipe de Bozovic était inhabituel en ce qu'il est constitué de couches de deux matériaux, l'un métallique et un isolant, qui ne sont pas les supraconducteurs de leur propre chef, mais plutôt présenter la supraconductivité à l'interface entre eux [voir http://www.bnl .gov / bnlweb / pubaf / pr / PR_display.asp? PRID = 822].
La couche identifiés comme essentiels à la supraconductivité par l'expérience de zinc de substitution représente la deuxième couche d'oxyde de cuivre loin de l'interface. Les scientifiques ont constaté que la présence de zinc n'avait aucun effet sur la température de transition au cours de laquelle la supraconductivité dans les séries, environ 32 Kelvin (-241 degrés Celsius), sauf lorsqu'il est placé dans cette couche particulière. Dans ce dernier cas, les scientifiques ont observé une baisse spectaculaire de la température de transition à 18 Kelvin (-255 degrés Celsius). La réduction de la température de transition fournit une indication claire que cette couche est particulièrement «chaud» un responsable de la température relativement élevée au cours de laquelle la supraconductivité fixe normalement pour ce matériau.
«Nous avons maintenant une preuve expérimentale que nettoyer supraconductivité à haute température peut exister, non diminuée, en un seul oxyde de cuivre couche», a déclaré Bozovic. "Cette information donne une contribution importante à notre compréhension théorique de ce phénomène."
Bozovic a expliqué que, dans le matériel qu'il a étudié, les électrons nécessaires à la supraconductivité proviennent réellement le matériau métallique dessous de l'interface. Ils fuite dans le matériau isolant au-dessus de l'interface et d'atteindre le niveau critique dans cette seconde couche d'oxyde de cuivre.
Mais en principe, dit-il, il ya d'autres façons d'obtenir la même concentration d'électrons dans ce simple couche, par exemple, par le dopage réalisé en appliquant des champs électriques. Cela se traduirait par supraconductivité à haute température dans un seul oxyde de cuivre couche mesurant seulement 0,66 nanomètres.
Du point de vue pratique, cette découverte ouvre un chemin vers la fabrication de dispositifs électroniques à modulation, ou accordables, propriétés supraconductrices, qui peut être contrôlé par des champs électriques ou magnétiques.
"Les appareils électroniques consomment déjà une fraction importante de notre consommation d'électricité - et cela est en croissance rapide." Bozovic poursuivi. "Clairement, nous aurons besoin de moins d'électronique de puissance-affamés dans le futur." Supraconducteurs, qui fonctionnent sans perte d'énergie - en particulier ceux qui fonctionnent à chaud, plus-pratique températures - peut-être une manière d'aller.
La méthode de synthèse de Bozovic couche par couche et sa capacité à modifier la composition stratégique couches individuelles »pourrait également être utilisée pour explorer et possiblement de contrôle d'autres phénomènes électroniques et les propriétés qui émergent au niveau des interfaces entre les matériaux stratifiés.