Adsorption et structure à l'intérieur des nanopores. un Les cercles gris foncé illustrent le comportement d'adsorption de 4 He à 4,2 K dans MCM-41 pré-plaqué avec une monocouche de gaz Ar à mesure que la pression augmente. Ici P 0 est la pression de vapeur d'équilibre globale de 4 Il. Les étoiles colorées indiquent les remplissages où l'achèvement de 4 Les couches se produisent avec les images en médaillon d'appel montrant les configurations Monte Carlo quantiques d'une section transversale de MCM-41 avec une couche Ar équilibrée (sphères gris clair) à P /P 0 = 0, et les couches en développement de 4 Il (1 couche à 3 couches plus noyau central) à mesure que la pression augmente. Ici, l'Ar est représenté comme une coque cylindrique pour plus de clarté. Le losange violet clair indique le remplissage auquel les mesures expérimentales de diffusion inélastique des neutrons ont été effectuées à Q dans = 4.0 Å −1 correspondant à des pores complètement remplis. b Résultats Quantum Monte Carlo avec barres d'erreur stochastiques groupées pour la densité numérique radiale des atomes ρ rad (r ) à l'intérieur des nanopores à T = 1,6 K où les expériences de diffusion ont été réalisées. Les couleurs correspondent aux fractions de remplissage étoilées dans a . Au fur et à mesure que la pression augmente, les 4 Les atomes forment une série de couches concentriques, la densité des couches externes augmentant également. Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-30752-3
Des physiciens de l'Université de l'Indiana et de l'Université du Tennessee ont déchiffré le code permettant de réduire la taille des micropuces, et la clé est l'hélium.
Les puces électroniques sont partout, faisant fonctionner les ordinateurs et les voitures, et aidant même les gens à retrouver des animaux perdus. Au fur et à mesure que les micropuces deviennent plus petites, plus rapides et capables de faire plus de choses, les fils qui leur conduisent l'électricité doivent suivre le mouvement. Mais il y a une limite physique à leur taille, à moins qu'ils ne soient conçus différemment.
"Dans un système traditionnel, à mesure que vous mettez plus de transistors, les fils deviennent plus petits", a déclaré Paul Sokol, professeur au département de physique de l'IU Bloomington College of Arts and Sciences. "Mais dans les systèmes nouvellement conçus, c'est comme confiner les électrons dans un tube unidimensionnel, et ce comportement est assez différent de celui d'un fil ordinaire."
Pour étudier le comportement des particules dans ces circonstances, Sokol a collaboré avec un professeur de physique de l'Université du Tennessee, Adrian Del Maestro, pour créer un système modèle d'électronique emballé dans un tube unidimensionnel.
Leurs découvertes ont été récemment publiées dans Nature Communications .
La paire a utilisé de l'hélium pour créer un système modèle pour leur étude car ses interactions avec les électrons sont bien connues et il peut être rendu extrêmement pur, a déclaré Sokol. Cependant, il y avait des problèmes avec l'utilisation de l'hélium dans un espace unidimensionnel, le premier étant que personne ne l'avait jamais fait auparavant.
"Pensez-y comme à un auditorium", a déclaré Sokol. "Les gens peuvent se déplacer de différentes manières. Mais dans une salle longue et étroite, personne ne peut passer devant quelqu'un d'autre, de sorte que le comportement devient différent. Nous explorons ce comportement où tout le monde est confiné dans une rangée. Le grand avantage de utiliser un modèle à l'hélium, c'est que nous pouvons passer d'un hall très peu fréquenté à un hall plein à craquer. Nous pouvons explorer toute la gamme de la physique avec ce système, ce qu'aucun autre système ne nous permet de faire."
La création d'un système de modèle d'hélium unidimensionnel a également posé de nombreux autres défis aux chercheurs. S'ils essayaient de fabriquer un tube suffisamment petit pour contenir l'hélium, par exemple, il était trop difficile de faire des mesures.
Il était également impossible d'utiliser des techniques telles que la diffusion de neutrons, une méthode puissante impliquant l'utilisation d'un réacteur ou d'un accélérateur qui génère un faisceau de neutrons pour glaner des informations détaillées sur le comportement des particules dans un système unidimensionnel.
D'un autre côté, ils pouvaient fabriquer de très longs tubes en utilisant des verres spécialisés développés autour de molécules modélisées, mais les trous n'étaient pas assez grands pour confiner l'hélium à une seule dimension.
"Vous avez littéralement besoin de faire un tuyau qui ne fait que quelques atomes de large", a déclaré Del Maestro. "Aucun liquide normal ne s'écoulerait jamais à travers un tuyau aussi étroit, car le frottement l'en empêcherait."
Pour résoudre ce défi, l'équipe a nano-conçu un matériau en prenant des verres qui ont des canaux unidimensionnels et en les plaquant avec de l'argon pour recouvrir la surface et créer un canal plus petit. Ils pourraient alors fabriquer des échantillons contenant beaucoup d'hélium et soutenir l'utilisation de techniques telles que la diffusion de neutrons pour obtenir des informations détaillées sur le système.
Avec la réalisation expérimentale de l'hélium unidimensionnel, Del Maestro et Sokol ont ouvert une nouvelle voie importante pour cette recherche.
Ensuite, l'équipe prévoit d'utiliser ce nouveau système modèle pour étudier l'hélium à des densités élevées (comparables aux électrons dans un fil fin) et à des densités faibles (comparables aux réseaux unidimensionnels d'atomes utilisés en science de l'information quantique.
Ils prévoient également de développer d'autres matériaux de nano-ingénierie, tels que des pores recouverts de césium où l'hélium ne mouille pas la surface de césium. Cela réduirait encore les interactions de l'hélium confiné avec le monde extérieur et fournirait un système plus idéal pour contester de nouvelles théories. Comportement surprenant de la matière hybride :atomes d'antimatière dans l'hélium superfluide
