Hay más en el vidrio de lo que parece.
Los vidrios, que son materiales desordenados sin un orden químico de largo alcance, tienen algunas propiedades misteriosas que han permanecido enigmáticas durante varias décadas.
Entre estos se encuentran los estados de vibración anómalos que contribuyen a la capacidad de calor a baja temperatura. Los primeros investigadores establecieron que estos estados obedecen las estadísticas de Bose-Einstein, y el nombre se atascó, por lo que hoy esta característica se conoce como el pico del bosón.
En general, se acepta que estos estados vibratorios surgen de la descomposición de las cuasipartículas similares a los fonones bosónicos en el fuerte entorno de vidrio desordenado.
El trabajo de colaboración reciente entre los socios de FLEET, la Universidad de Wollongong, RMIT y ANSTO ha revelado la frecuencia del pico del bosón en la densidad de estados de alúmina ultrafina con espesores de 2 nanómetros.
La alúmina amorfa es un vidrio importante, utilizado en la industria electrónica como una capa dieléctrica, y dentro del emergente sector de la computación cuántica donde desempeña el papel de la barrera en una unión de barrera de Josephson.
Sin embargo, sorprendentemente, muchas de las propiedades fundamentales de la alúmina siguen siendo desconocidas debido al hecho de que es termodinámicamente inestable en la macroescala.
El equipo de UoW / RMIT superó este problema al enfocarse en los vidrios a nanoescala, en el contexto de partículas de núcleo-cáscara de una esfera de aluminio envuelta en una fina capa de óxido de alúmina nativa. Puede imaginarlo como un huevo duro, con un'yema' sólida interna de aluminio rodeada por una fina capa externa de alúmina.
Armados con estas muestras novedosas y ligeramente explosivas, desplegaron espectroscopía de neutrones en ANSTO, una de las organizaciones socias de FLEET, para medir las vibraciones reticulares en las partículas de la cubierta del núcleo.
Al estudiar varios tamaños de partícula, se varió la relación relativa del núcleo: cubierta para permitir que el grupo separe las contribuciones de la "yema" de aluminio y de la "cubierta" de alúmina
Utilizando las partículas pequeñas para mejorar el contraste de la superficie, el grupo reveló una característica de frecuencia THz para el pico del bosón que está en buen acuerdo con los cálculos teóricos.
"Estaba emocionado de ver la coincidencia entre la dinámica molecular realizada por el grupo Cole y nuestro experimento de neutrones", dice el autor principal David Cortie, "Nuestra capacidad para predecir las propiedades vibratorias y electrónicas de materiales ultrafinos y heterointerfaces se está volviendomejor año tras año "
Como las vibraciones reticulares son una fuente principal de disipación en la electrónica, las nuevas mediciones son útiles para identificar métodos para controlar la transferencia de calor a través de alúmina ultradelgada. Esto también tiene algunas otras implicaciones sorprendentes fuera de la electrónica, porque la próxima generación de naves espaciales paramás allá de Marte, las expediciones pueden utilizar combustibles de aluminio / alúmina si se puede reducir el problema de transferencia de calor.
En un desarrollo separado, el grupo también encontró evidencia clara de hidrógeno en forma de H 2 los grupos O e hidroxilo que zumban alrededor de la superficie de la alúmina, y reportaron un procedimiento para eliminar estos defectos superficiales nativos usando un procedimiento de tratamiento térmico.
"No nos propusimos estudiar hidrógeno", dice el coautor principal Jared Cole, "Sin embargo, el hecho de que lo hayamos observado tan claramente puede ser bastante fortuito. El hidrógeno es una impureza superficial importante en los circuitos cuánticos superconductores,y experimentos como este son una forma útil de aprender cómo se comporta y cómo mitigar sus efectos ".
Normalmente, el hidrógeno es casi invisible para las técnicas estándar, pero los neutrones se dispersan diez veces más fuertemente del hidrógeno que otros elementos porque interactúan con fuerzas nucleares en lugar de interacciones electromagnéticas. A temperaturas ultrabajas, el túnel cuántico de hidrógeno en sistemas de dos niveles esun candidato para explicar la fuente de decoherencia en los principales esquemas de computación cuántica.
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