Isoleerivate materjalide täpne füüsikaline kirjeldamine on materjaliteaduse üks tulipunkte. Erinevatel mehhanismidel põhinev teoreetiline isolaatorite klasssifikatsiooniskeem on kasutusel olnud alates 1960ndatest. Skeemi puudulikud eksperimentaalmeetodid ei ole aga seni võimaldanud kõikide isolaatorite adekvaatset liigitamist. Kieli Ülikooli ja Boulderi Colorado Ülikooli teadlased arendasid välja uue meetodi, mis peaks isolaatorite eristamiseks andma seni põhjalikuimad võimalused. Teadustöö avaldati ajakirjas Nature Communications.
Ükski sülearvuti, mobiiltelefon ega digitaalkaamera ei suuda töötada ilma, et selles oleks isolaatormaterjale sisaldavaid komponente. Jaht kõrgtehnoloogiliste isolaatormaterjalide täpsele füüsikalisele seletusele on sama januline kui püüdlus võimsamate arvutite poole. Seetõttu on isolaatorite uurimine tahkiseteaduse eesrinnas.
Isolaatoreid püütakse klassikaliselt kirjeldatakse universaalsete võrrandite ning arvutisimulatsioonide abil. Teoreetilised tulemused materjalide kohta peavad leidma kinnitust eksperimendist. Eksperiment ongi sageli teooriale vastuse võlgu jäänud. „Palju aastaid olid eksperdid osade isolaatorite liigitamise osas lahkarvamusel,“ kommenteeris Kieli Ülikooli teadlane ning projekti juht Kai Rossnagel, kelle teadlaste töö võimaldab nüüd isolaatormaterjalide füüsikaliste omaduste objektiivset kirjeldamist.
Osad elektrijuhid muutuvad väga madalate temperatuurideni jahutatutena isolaatoriteks. Selle käigus muutub ka nende elektronkatte olek, nagu ka materjali taassoojenemisel. Uus meetod kasutabki isolaatorklasside eristamiseks ära üleminekute kestvuse varieeruvust eri materjalides.
Meetodis kasutatavad ajavahemikud on tajumatult väikesed. Materjali määramisel kasutatakse laserkiirkaamerat, mis toodab filmi üksikutest femtosekundilise säriajaga piltidest. Tehes nii ühe pildi ühe sekundi iga femtosekundi kohta saaks kokkuvõttes 1015 pilti. Tavaline filmikaamera teeb vaid suurusjärgus 101 pilti sekundis. „Meie otsitavad materjalide elektriliste omaduste muutused kestavad ühtedes materjalides 50 femtosekundit, teistes aga 100 kuni 200 femtosekundit,“ seletas Rossnagel.
Üks enimvaieldud liigitusega isolaatoreid on titaandiseleniid TiSe2. Nüüd suudeti see täpselt klassifitseerida. Lisaks avastasid teadlased töö käigus täiesti uue isolaatormaterjalide klassi, mida nimetatakse eksitoonilisteks isolaatoriteks (excitonic insulators). „Usume, et meie teadustöö tulemused lõpetavad dekaade kestnud diskussiooni titaaniumdiseleniidi määratluse üle, aga ainult pärast mitme aasta pikkust kasutamist ja falsifikatsioonikatseid saame öelda, kas meie meetod ikkagi on nii hea kui praegu arvame,“ kommenteeris Rossnagel.
Klassifikatsioonimeetodis kasutatakse kaameratehnikat, mille leiutas sama töörühm 2011. aasta maikuus. Tol korral avaldati artikkel mainekas ajakirjas Nature. Jäädvustusmeetodit nimetatakse pikemalt „pidevresolutsiooniga tugeva UV kiirgusega femtosekund-fotoelektronspektroskoopia“. Isolaatorite määramisel kasutati kaamerat esmakordselt süstemaatiliselt teadustöö läbi viimiseks.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply