Ved hjelp av presisjon teknikker for å lage superledende tynnfilm lag-by-lag, fysikere ved US Department of Energys (DOE) Brookhaven National Laboratory har identifisert et enkelt lag er ansvarlig for et slikt materiale evne til å bli superledende, dvs. bære elektrisk strøm uten energi tap. Teknikken, som er beskrevet i den 30 oktober 2009, utgaven av Science, kan brukes til ingeniør supertynn filmer med "fleksibel" superledning for høyere effektivitet elektroniske enheter.
Denne grafikken viser innsiden av molekylær stråle epitaxy kammer hvor tynne filmer er bygd lag på lag, viser en kunstnere gjengivelse av filmen syntese prosessen.
"Vi ønsket å besvare et grunnleggende spørsmål om slike filmer," sier Brookhaven fysiker og gruppeleder Ivan Bozovic. "Nemlig: Hvordan tynn kan filmen være og likevel beholde høy-temperatur superledere?"
Jo tynnere materiale (og høyere overgangen temperaturen til en superleder), jo større dets potensial for anvendelser hvor superledning kan kontrolleres av en ekstern elektrisk felt. "Denne type kontroll er vanskelig å oppnå med tykkere film, fordi en elektrisk felt ikke trenge inn i metaller mer enn en nanometer eller så," Bozovic forklart.
For å utforske grensene for tynnhet, Bozovic gruppe syntetisert en serie filmer basert på høy temperatur superledende cuprates (kobber-oxides) - materialer som frakter strøm uten energi når avkjølt under en viss overgang temperatur (Tc). Siden sink er kjent for å undertrykke superledning i disse materialene, forskerne systematisk erstattet en liten mengde sink i hver av kobber-oksid lag. Ethvert lag hvor sink nærvær hadde en undertrykkende effekten vil være tydelig identifisert som viktige for superledning i filmen.
"Våre målinger viste at sink doping hadde egentlig ingen effekt, bortsett fra når den plasseres i en enkelt, veldefinerte lag. Når sink var i det laget, var superledning dramatisk undertrykt," Bozovic sa.
Materialet studert av Bozovic team var uvanlig ved at den består av lag av to materialer, en metallic og en isolerende, som ikke er superledere på egenhånd, men heller stille superledning i skjæringspunktet mellom dem [se http://www.bnl .gov / bnlweb / pubaf / PR / PR_display.asp? prID = 822].
Laget identifisert som avgjørende for superledning av sink-substitusjon eksperimentere representerer den andre kobber-oksid lag bort fra grensesnittet. Forskerne fant at tilstedeværelsen av sink hadde ingen effekt på overgangen temperaturen der superledning setter inn, om lag 32 Kelvin (-241 Celsius), unntatt når den plasseres i det aktuelle laget. I sistnevnte tilfelle, observerte forskerne et dramatisk fall i overgangen temperaturen til 18 Kelvin (-255 Celsius). Reduksjonen i overgangen temperatur gir en klar indikasjon på at det aktuelle laget er "hot" en ansvarlig for den relativt høye temperaturen der superledning normalt setter inn for dette materialet.
"Vi har nå et rent eksperimentelle bevis på at høy-temperatur superledning kan eksistere, uforminsket, i ett kobber-oksid lag," Bozovic sa. "Denne informasjonen gir viktige innspill til vår teoretiske forståelse av dette fenomenet."
Bozovic forklarte at, i materialet han studerte, elektronene som kreves for superledning faktisk kommer fra metallisk materiale under grensesnittet. De lekke inn i isolerende materiale over grensesnittet og oppnå kritisk nivå i den andre kobber-oksid lag.
Men i prinsippet, sier han, det finnes andre måter å oppnå samme konsentrasjon av elektroner i det enkelt lag, for eksempel ved doping oppnås ved bruk av elektriske felt. Det ville resultere i høytemperatur superledning i ett kobber-oksid lag måler bare 0,66 nanometer.
Fra et praktisk synspunkt, åpner denne oppdagelsen en sti mot fabrikasjon av elektroniske enheter med modulert, eller tunbare, superledende egenskaper som kan styres av elektriske eller magnetiske felt.
"Elektroniske enheter allerede forbruker en stor andel av vårt strømforbruk - og dette øker raskt." Bozovic fortsatte. "Klart, vi trenger mindre strømslukende elektronikk i fremtiden." Superledere, som opererer uten energi tap - spesielt de som opererer på varmere, mer-praktisk temperaturer - kan være en vei å gå.
Bozovic er lag-by-lag syntese metode og evne til strategisk endre individuelle lag 'sammensetning kan også brukes til å utforske og eventuelt kontrollere andre elektroniske fenomener og egenskaper som dukker opp på grenseflatene mellom lagdelte materialer.