明尼苏达大学双城校区的研究人员展示了一种意想不到的新方法，通过这种方法可以改变金属的电子行为。通过精心设计两种材料接触时的原子相互作用，团队能够显著改变金属材料的特性。这些成果发表在《自然通讯》期刊上，显示了一种被称为界面极化的现象可以用来将金属二氧化钌 (RuO2) 的表面功函数调节超过 1 电子伏特 (eV)。这一效果仅通过将超薄薄膜的厚度改变几纳米就能实现。金属性质的原子级控制极化通常与绝缘材料和铁电体相关，而不是与金属相关。然而，研究人员发现了一种在金属系统中稳定极化的方法，并利用它影响电子行为。明尼苏达大学化学工程与材料科学系的教授及壳牌讲席教授巴拉特·贾兰（Bharat Jalan）表示：“我们通常认为极化是属于绝缘体或铁电体的特性，而非金属。我们的研究表明，通过精心的界面设计，可以在金属系统中稳定极化，并将其作为调节电子特性的手段。这打开了思考金属控制的全新方式。”团队发现，这一效应强烈依赖于金属层的厚度。最显著的变化发生在二氧化钌薄膜的厚度约为 4 纳米时，这大约是单根 DNA 链的宽度。4 纳米的关键转变在这个厚度下，金属经历了由基础材料引起的应变状态向更放松的原子排列的过渡。结果直接证据表明，材料内部原子的组织方式对其电子特性有可测量的影响。该研究的第一作者，贾兰小组的研究员郑承教（Seung Gyo Jeong）表示：“这令人惊讶。我们预计的是微妙的界面效应，而不是如此大且可控的功函数变化。能够在原子尺度上可视化极性位移并将其直接与电子测量联系起来，尤其令人兴奋。”通过观察微小的原子运动并将其与大的电子变化联系起来，研究人员能够展示如何利用界面工程作为控制金属的强大工具。电子学和量子技术中的潜在应用除了推动科学家对基本物理的理解之外，这一发现还能帮助指导未来电子设备、催化系统和量子技术的研发。该研究涉及明尼苏达大学双城校区、麻省理工学院、德克萨斯A&M大学、光州科技学院以及明尼苏达大学双城校区物理学院的合作研究人员。该工作的资金由美国能源部和空军科学研究办公室提供。