07.01.2020 - Columbia University

Quantendurchbruch bringt eine Technik aus der Astronomie auf die Nanoskala

Multi-Messenger-Ansatz ermöglicht es, elektronische und magnetische Materialien auf ultra-kleinen Längenskalen zu testen

Forscher der Columbia University und der University of California, San Diego, haben einen neuartigen "Multi-Messenger"-Ansatz in der Quantenphysik eingeführt, der einen technologischen Sprung in der Erforschung von Quantenmaterialien durch Wissenschaftler bedeutet.

"Wir haben eine Technik von der intergalaktischen Skala in den Bereich des Ultra-Kleinen gebracht", sagte Basov, Higgins Professor für Physik und Direktor des Energy Frontier Research Center an der Columbia. Ausgestattet mit multimodalen Werkzeugen der Nanowissenschaften können wir heute routinemäßig an Orte gehen, die noch vor fünf Jahren niemand für möglich gehalten hätte".

Die Arbeit wurde von der "Multi-Messenger"-Astrophysik inspiriert, die sich im letzten Jahrzehnt als revolutionäre Technik zur Untersuchung von fernen Phänomenen wie Schwarze-Loch-Verschmelzungen herauskristallisierte. Gleichzeitige Messungen mit Instrumenten, darunter Infrarot-, optische, Röntgen- und Gravitationswellen-Teleskope, können zusammengenommen ein physikalisches Bild liefern, das größer ist als die Summe ihrer Einzelteile.

Es wird nach neuen Materialien gesucht, die die derzeitige Abhängigkeit von elektronischen Halbleitern ergänzen können. Die Steuerung von Materialeigenschaften durch Licht kann verbesserte Funktionalität, Geschwindigkeit, Flexibilität und Energieeffizienz für die Computerplattformen der nächsten Generation bieten.

In experimentellen Arbeiten über Quantenmaterialien wurden in der Regel Ergebnisse berichtet, die mit nur einer Art von Spektroskopie erzielt wurden. Die Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, mit einer Kombination von Messtechniken elektrische und optische Eigenschaften gleichzeitig zu untersuchen.

Die Forscher führten ihr Experiment durch, indem sie Laserlicht auf die scharfe Spitze einer mit magnetischem Material beschichteten Nadelsonde fokussierten. Wenn dünne Metalloxidschichten einer einzigartigen Belastung ausgesetzt sind, können ultraschnelle Lichtpulse das Material dazu veranlassen, in eine unerforschte Phase von Bereichen im Nanometerbereich zu wechseln, und die Veränderung ist reversibel.

Durch das Scannen der Sonde über die Oberfläche ihrer Dünnschichtprobe konnten die Forscher die Veränderung lokal auslösen und gleichzeitig die elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften dieser lichtausgelösten Domänen mit einer Präzision im Nanometerbereich manipulieren und aufzeichnen.

Die Studie zeigt, wie sich in lang untersuchten Quantenmaterialien auf ultrakleinen Skalen unerwartete Eigenschaften ergeben können, wenn die Wissenschaftler sie durch Dehnung abstimmen.

"Es ist relativ üblich, diese Nanophasenmaterialien mit Rastersonden zu untersuchen. Aber dies ist das erste Mal, dass eine optische Nanosonde mit gleichzeitiger magnetischer Nano-Bildgebung kombiniert wurde, und das bei den sehr niedrigen Temperaturen, bei denen Quantenmaterialien ihre Vorzüge zeigen", sagte McLeod. "Nun bietet die Untersuchung von Quantenmaterialien durch die multimodale Nanowissenschaft eine Möglichkeit, den Kreis der Programme zu schließen, um sie zu entwickeln.

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