Usando técnicas de precisão para fazer filmes supercondutores fina camada por camada, físicos do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Brookhaven National Laboratory ter identificado uma única camada responsável pela capacidade de um material para tornar-se supercondutores, ou seja, carregar a corrente elétrica sem energia perda. A técnica, descrita no 30 de outubro de 2009, da revista Science, pode ser usado para projetar filmes ultrafinos com a supercondutividade "sintonizáveis" para dispositivos de maior eficiência eletrônico.
Este gráfico mostra o interior da câmara de epitaxia de feixe molecular, onde filmes finos são construídos camada por camada, mostrando uma capitulação artistas do processo de síntese do filme.
"Nós queríamos responder a uma pergunta fundamental sobre esses filmes", disse Brookhaven físico e o líder do grupo Ivan Bozovic. "Ou seja: Como o filme fino pode ser e ainda manter supercondutividade de alta temperatura?"
O material mais fino (e quanto maior a temperatura de transição para um supercondutor a sua), maior o seu potencial para aplicações onde a supercondutividade pode ser controlada por um campo elétrico externo. "Este tipo de controle é difícil de conseguir com os filmes mais grosso, porque um campo elétrico não penetra em metais mais do que um nanômetro ou mais", explicou Bozovic.
Para explorar os limites da magreza, grupo Bozovic sintetizaram uma série de filmes baseados nos cupratos supercondutores de alta temperatura (cobre-óxidos) - materiais que conduzem corrente sem perda de energia quando resfriado abaixo de uma temperatura de transição determinada (Tc). Uma vez que o zinco é conhecido por suprimir a supercondutividade desses materiais, os cientistas sistematicamente substituída uma pequena quantidade de zinco em cada uma das camadas de óxido de cobre. Qualquer camada onde a presença do zinco teve um efeito supressor seriam claramente identificadas como essenciais para a supercondutividade no filme.
"Nossas medições mostram que o doping de zinco teve praticamente nenhum efeito, exceto quando colocados em uma única camada bem definida. Quando o zinco foi nessa camada, a supercondutividade foi suprimida drasticamente", disse Bozovic.
O material estudado pela equipe Bozovic era incomum, pois é composto de camadas de dois materiais, um metálico e um isolante, que não são supercondutores por conta própria, mas exibem a supercondutividade na interface entre eles [ver http://www.bnl .gov / bnlweb / pubaf / pr / PR_display.asp? PRID = 822].
A camada identificada como essencial para a supercondutividade pelo experimento de substituição de zinco representa a camada de óxido de cobre segundo de distância da interface. Os cientistas descobriram que a presença de zinco não teve efeito sobre a temperatura de transição em que a supercondutividade em conjuntos, cerca de 32 kelvin (-241 graus Celsius), exceto quando colocados nessa camada particular. Neste último caso, os cientistas observaram uma queda dramática na temperatura de transição a 18 kelvin (-255 graus Celsius). A redução da temperatura de transição fornece uma indicação clara de que essa camada especial é o "hot" responsável pela temperatura relativamente elevada em que a supercondutividade normalmente em conjuntos para este material.
"Nós agora temos uma prova limpa experimental que supercondutividade de alta temperatura pode existir, em toda plenitude, em uma camada de óxido de cobre single," Bozovic disse. "Este pedaço de informação dá contributo importante para a nossa compreensão teórica desse fenômeno."
Bozovic explicou que, no material que estudou, os elétrons necessários para a supercondutividade na verdade vem do material metálico abaixo da interface. Eles vazar para o material isolante acima da interface e atingir o nível crítico em que a camada de óxido de cobre segundo.
Mas, em princípio, diz ele, há outras maneiras de alcançar a mesma concentração de elétrons nessa camada única, por exemplo, por doping alcançado através da aplicação de campos elétricos. Que resultaria em supercondutividade de alta temperatura em uma camada de óxido de cobre único que mede apenas 0,66 nanômetros.
Do ponto de vista prático, esta descoberta abre um caminho para a fabricação de dispositivos eletrônicos com modulados, ou ajustável, supercondutores propriedades que pode ser controlado por campos elétricos ou magnéticos.
"Os aparelhos eletrônicos já consomem uma grande fração do uso da eletricidade - e isso está crescendo rapidamente." Bozovic continuou. "Claramente, precisamos de menos energia-eletrônica fome no futuro." Supercondutores, que operam sem a perda de energia - particularmente aquelas que operam em mais quentes, mais-prático temperaturas - pode ser um caminho a percorrer.
Bozovic método de síntese camada por camada e capacidade de alterar a composição estrategicamente camadas individuais "também pode ser usado para explorar e, possivelmente, controle de outros fenômenos eletrônica e propriedades que emergem nas interfaces entre materiais em camadas.