Новая теоретическая основа может помочь учёным исследовать свойства новых полупроводников для микроэлектронных устройств нового поколения или обнаружить материалы, которые повысят производительность квантовых компьютеров.
Разработка новых или улучшенных материалов обычно включает 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 уловить напрямую с помощью существующих методов.
Пример: электрон-фононное взаимодействие
Это свойство играет решающую роль в электрических, тепловых, оптических и сверхпроводящих свойствах материала, но его прямое измерение с помощью существующих методов чрезвычайно сложно.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили теоретически обоснованный подход, который может превратить эту проблему в возможность. Их метод интерпретирует рассеяние нейтронов как потенциальный прямой метод измерения силы электрон-фононного взаимодействия.
Процедура создаёт два эффекта взаимодействия в материале. Исследователи показывают, что, намеренно разрабатывая эксперимент с использованием интерференции между двумя взаимодействиями, они могут измерить силу электрон-фононного взаимодействия материала.
Методология, основанная на теории исследователей, может быть использована для формирования дизайна будущих экспериментов, открывая дверь для измерения новых величин, которые ранее были недоступны.
«Вместо того чтобы открывать новые методы спектроскопии путём чистой случайности, 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.
Экспериментальная установка
Основываясь на своих теоретических выводах, исследователи разработали экспериментальную установку для демонстрации своего подхода. Поскольку доступное оборудование оказалось недостаточно мощным для такого типа эксперимента по рассеянию нейтронов, они смогли зафиксировать только слабый сигнал электрон-фононного взаимодействия, 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 мощностей установок для рассеяния нейтронов, подобных тем, что предложены для будущей Второй станции-мишени в Ок-Риджской национальной лаборатории, этот экспериментальный метод может стать эффективным инструментом для измерения многих важных свойств материалов.
Этот подход может помочь учёным идентифицировать и использовать лучшие полупроводники, что позволит создавать более энергоэффективные приборы, более быстрые устройства беспроводной связи и более надёжное медицинское оборудование, такое как кардиостимуляторы и сканеры МРТ.
В конечном итоге команда рассматривает эту работу как более широкое сообщение 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.
С этой целью команда и их коллеги в настоящее время изучают другие типы взаимодействий, которые они могли бы использовать для исследования дополнительных свойств материалов.