Новая теоретическая концепция может помочь учёным исследовать свойства новых полупроводников для микроэлектронных устройств следующего поколения или обнаружить материалы, которые повысят производительность квантовых компьютеров.
Исследования для разработки новых или улучшенных материалов
Разработка новых или улучшенных материалов обычно включает в себя изучение свойств, которые можно надёжно измерить с помощью существующего лабораторного оборудования. Однако это лишь малая часть свойств, которые учёные потенциально могут исследовать. Некоторые свойства остаются практически «невидимыми», поскольку их трудно зафиксировать напрямую с помощью существующих методов.
Например, взаимодействие электронов и фононов играет решающую роль в электрических, тепловых, оптических и сверхпроводящих свойствах материала, но напрямую зафиксировать его с помощью существующих методов чрезвычайно сложно.
Новый подход исследователей MIT
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили теоретически обоснованный подход, который может превратить эту проблему в возможность. Их метод переосмысливает рассеяние нейтронов, часто упускаемый из виду эффект интерференции, как потенциальный прямой метод измерения силы взаимодействия электронов и фононов.
Процедура создаёт два эффекта взаимодействия в материале. Исследователи показывают, что, намеренно проектируя свой эксперимент так, чтобы использовать интерференцию между двумя взаимодействиями, они могут зафиксировать силу взаимодействия электронов и фононов в материале.
Методология, основанная на теории исследователей, может быть использована для формирования дизайна будущих экспериментов, открывая двери для измерения новых величин, которые ранее были недоступны.
«Вместо того чтобы случайно открывать новые методы спектроскопии, мы можем использовать теорию для обоснования и разработки дизайна наших экспериментов и нашего физического оборудования», — говорит Мингда Ли, профессор развития карьеры класса 1947 года, адъюнкт-профессор ядерной науки и инженерии и старший автор статьи об этом экспериментальном методе.
Результаты исследования
Используя теоретические идеи, исследователи разработали экспериментальную установку для демонстрации своего подхода. Поскольку доступное оборудование оказалось недостаточно мощным для такого эксперимента по рассеянию нейтронов, им удалось зафиксировать только слабый сигнал взаимодействия электронов и фононов, но результаты были достаточно ясными, чтобы подтвердить их теорию.
«Эти результаты подтверждают необходимость создания нового центра, где оборудование может быть в 100–1000 раз мощнее, что позволит учёным чётко выделить сигнал и измерить взаимодействие», — добавляет Лэндри.
С улучшением оборудования для рассеяния нейтронов, например, на будущей Второй станции-мишени в Ок-Риджской национальной лаборатории, этот экспериментальный метод может стать эффективным инструментом для измерения многих важных свойств материалов.
В целом, команда видит в этой работе более широкий посыл о необходимости переосмысления процесса исследования материалов. «Использование теоретических идей для разработки экспериментальных установок заранее может помочь нам переопределить свойства, которые мы можем измерить», — говорит Фу.