Oprettelse af nye fysiske egenskaber i materialer

En samarbejdsindsats mellem forskningsgrupper ved Freiberg Tekniske Universitet og Siegen Universitet i Tyskland viser, at de fysiske egenskaber ved SrTiO3, eller strontiumtitanat, i sin enkeltkrystalform kan ændres ved en relativt enkel elektrisk behandling. SrTi03 er et mineral, der ofte undersøges for dets superledende egenskaber.

Behandlingen, beskrevet i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , skaber den effekt, der kaldes piezoelektricitet, hvor elektricitet skyldes mekanisk belastning, i det materiale, som oprindeligt ikke så piezoelektriske effekter. Dette kan være ekstremt vigtigt, da vores teknologisk orienterede samfund stiller stadig større krav til nye materialer og usædvanlige egenskaber.

Krystallinske materialer består af atomer og elektroner, som indretter sig i periodiske mønstre. Atomstrukturen af ​​en krystal ligner et stykke af et korsstingsmønster, men skalaen er omkring ti millioner gange mindre. Selvom en krydssømningsteknik i starten kan være vanskelig, når du har lært mønsteret, du gentager bare de samme sting for at fylde det ledige rum. Naturen fungerer omtrent på samme måde i opbygningen af ​​krystaller:den "lærer", hvordan man forbinder atomer med hinanden i en såkaldt enhedscelle og gentager derefter denne byggesten for at fylde rummet og danne et krystalgitter.

At se på en krystalstruktur er lidt som at se på stof gennem et forstørrelsesglas. Ved hjælp af en teknik kaldet røntgendiffraktion, forskere anvender eksterne stimuli (f.eks. strækning eller elektrisk spænding) på en krystal og ser, hvordan forskellige forbindelser (atomare "sting") reagerer.

"Ideen til dette værk blev født, da jeg holdt en colloquium -tale i TU Freiberg, præsenterer vores nye teknik til tidsopløst røntgendiffraktion og undersøger piezoelektrisk materiale. Vores kolleger i Freiberg havde undersøgt kunstigt skabte mængder nær overfladen af ​​SrTiO3-krystaller, med andre egenskaber end den normale bulk SrTiO3, "sagde Semën Gorfman, et fysiker fra University of Siegen.

Siegen-forskerteamet havde udviklet unikt eksperimentelt udstyr til at undersøge krystalstrukturer under et periodisk varierende felt ved hjælp af røntgendiffraktion, der er mobil og kan oprette forbindelse til ethvert tilgængeligt instrument, såsom et hjemmelab-røntgendiffraktometer eller en synkrotronstråle.

"Da målingerne er ikke-rutinemæssige, dette eksperimentelle udstyr gør vores forskning virkelig unik og original, "Gorfman sagde." Det viste sig, at teknikken udviklet på Siegen, var ideelt tilpasset den forskningsretning, Freiberg -teamet arbejdede på, så vi kom med den hypotese, der skulle testes (piezoelektricitet i feltmodificeret nær overfladefase af SrTiO3-krystal), og en foreslået eksperimentel metode (stroboskopisk tidsopløst røntgendiffraktion), udførte forsøget og fik resultater. "

Dette arbejde viser, at nye fysiske egenskaber kan skabes kunstigt, rapportering af den piezoelektriske effekt i den kunstigt designede nye fase af SrTiO3, et materiale, der ikke er piezoelektrisk under normale forhold.

"Vi mener, at fysiske egenskaber ved migrationsfeltinduceret polarfase i SrTiO3 åbner et nyt og interessant kapitel for forskning, Sagde Gorfman. "Udfordringen er nu at gøre effekten praktisk, så den kan bruges til enheder."