Hay más en el vidrio de lo que parece.

Lentes, que son materiales desordenados sin orden químico de largo alcance, tienen algunas propiedades misteriosas que han permanecido enigmáticas durante varias décadas.

Entre estos se encuentran los estados vibratorios anómalos que contribuyen a la capacidad calorífica a baja temperatura. Los primeros investigadores establecieron que estos estados obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein, y el nombre se quedó así que hoy esta característica se conoce como pico de bosón.

En general, se acepta que estos estados vibracionales surgen de la desintegración de cuasipartículas bosónicas similares a fonones en el fuerte entorno de vidrio desordenado.

Trabajo colaborativo reciente entre los socios de FLEET, la Universidad de Wollongong, RMIT y ANSTO han revelado la frecuencia del pico de 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 capa dieléctrica, y dentro del emergente sector de la computación cuántica, donde desempeña el papel de 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 a macroescala.

El equipo de UoW / RMIT superó este problema centrándose en gafas a nanoescala, en el contexto de partículas de núcleo-capa de una esfera de aluminio envuelta en una fina capa de su óxido de alúmina nativo. Puedes imaginarlo como un huevo duro, con una "yema" sólida de aluminio interna rodeada por una delgada, cáscara de alúmina externa.

Armados con estas muestras novedosas (y ligeramente explosivas), desplegaron espectroscopía de neutrones en ANSTO, una de las organizaciones asociadas de FLEET, para medir las vibraciones de la red en las partículas de la capa del núcleo.

Al estudiar varios tamaños de partículas, la relación relativa del núcleo:la cáscara se varió para permitir que el grupo separara las contribuciones del aluminio de la "yema" y de la "cáscara" de alúmina.

Usando las pequeñas partículas para mejorar el contraste de la superficie, el grupo reveló una característica de frecuencia THz para el pico del bosón que está de 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 ultradelgados y heterointerfaces está mejorando año tras año ".

Como las vibraciones de celosía son una de las principales fuentes de disipación en la electrónica, las nuevas mediciones son útiles para identificar métodos para controlar la transferencia de calor a través de alúmina ultrafina. Esto también tiene algunas otras implicaciones sorprendentemente fuera de la electrónica, porque la próxima generación de naves espaciales para expediciones más allá de Marte puede utilizar combustibles de aluminio / alúmina si se puede reducir el problema de la transferencia de calor.

En un desarrollo separado, el grupo también encontró evidencia clara de hidrógeno en forma de H2O y grupos hidroxilo zumbando en la superficie de la alúmina, e informó sobre un procedimiento para eliminar estos defectos superficiales nativos mediante un procedimiento de tratamiento térmico.

"No nos propusimos estudiar el hidrógeno, "dice el coautor principal, Jared Cole, "Sin embargo, el hecho de que lo hayamos observado con tanta claridad puede ser bastante fortuito. El hidrógeno es una impureza superficial importante en los circuitos superconductores cuánticos, 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 a partir del hidrógeno que otros elementos porque interactúan a través de fuerzas nucleares en lugar de interacciones electromagnéticas. A temperaturas ultrabajas, El túnel cuántico de hidrógeno en sistemas de dos niveles es un candidato para explicar la fuente de decoherencia en los principales esquemas de computación cuántica.

El estudio, "Pico de bosón en capas de alúmina ultrafinas investigadas con espectroscopia de neutrones, "fue publicado en Investigación de revisión física .