Anstrengte materialer gør køligere superledere

Ingeniører fra University of Wisconsin-Madison har tilføjet en ny dimension til vores forståelse af, hvorfor belastning af en bestemt gruppe materialer, kaldet Ruddlesden-Popper oxider, tamper med deres superledende egenskaber.

Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , kunne hjælpe med at bane vejen mod ny avanceret elektronik.

"Stamme er en af ​​de knapper, vi kan dreje for at skabe materialer med ønskelige egenskaber, så det er vigtigt at lære at manipulere dens virkninger, "siger Dane Morgan, Harvey D. Spangler Professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison og en højtstående forfatter på papiret. "Disse fund kan også hjælpe med at forklare nogle forvirrende resultater i anstrengte materialer."

Superledende materialer kunne gøre landets elnet meget mere effektivt, takket være deres evne til at lede elektricitet med nul modstand. Stofferne gør det også muligt for MR -maskiner at se inde i patienternes kroppe og svæve kugletog over sporene på grund af Meissner -effekten.

"Dette arbejde er et godt eksempel på, hvordan grundforskning kan påvirke udviklingen af ​​transformative teknologier gennem systematisk forståelse af materialeadfærd ved tæt interaktion mellem teori og eksperiment, "siger Ho Nyung Lee, en fornem videnskabsmand ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, der ledede forskningen.

De fleste materialer bliver kun superledere, når de er meget kolde - under et bestemt punkt kaldet den kritiske temperatur. Til superledere sammensat af tynde film af Ruddlesden-Popper-materialet La1.85Sr0.15CuO4, at kritisk temperatur varierer væsentligt afhængigt af de betingelser, hvorunder filmene blev dyrket.

"Den fremherskende opfattelse har været, at belastning gør det termodynamisk lettere for iltdefekter, der ødelægger de superledende egenskaber, der dannes i materialet, men vi har vist, at forskelle i de kinetiske tidsskalaer for iltdefektdannelse mellem træk- og trykstamme er en nøglemekanisme, "siger Ryan Jacobs, en personaleforsker i Morgans laboratorium og en medforfatter af papiret.

Oxygenfejl er vigtige, fordi mængden af ​​ilt i et materiale kan ændre dets kritiske temperatur. Den mest oplagte idé var, at belastning kan påvirke egenskaber ved at justere, hvor meget energi der er nødvendig for, at iltdefekter kan vises.

Selvom denne effekt forekommer, Jacobs og kolleger ved Oak Ridge National Laboratory viste, at belastning ikke kun påvirker, hvor let defekter dannes, men også den hastighed, hvormed ilt bevæger sig ind og ud af materialet. Disse resultater tyder på, at nogle af de vigtigste belastningsreaktioner kan være et resultat af ændringer i kinetiske effekter.

"At erkende, at kinetik spiller en nøglerolle, er meget vigtig for, hvordan du opretter materialet, "siger Morgan.

Forskerne skabte de materialer, de studerede ved at dyrke krystallinske tynde film oven på to forskellige støtteflader - den ene komprimerede de resulterende tynde film, mens den anden strakte dem ud for at forårsage trækbelastning.

Påfaldende, de trækbelastede materialer havde brug for meget koldere temperaturer end de komprimerede film for at blive superledere. Derudover trækbelastning fik materialerne til at miste deres superledende egenskaber hurtigere end de komprimerede materialer.

Efter omfattende beregninger, forskerne konkluderede, at termodynamiske effekter (via defektdannelsesenergien) alene ikke kunne forklare de dramatiske resultater, de observerede. Ved at anvende deres ekspertise inden for beregningssimulering og den beregningsmæssige modelleringsmetode kendt som densitetsfunktionel teori, forskerne indsnævrede kinetikken som en dominerende rolle.

"Dette er det første vindue om belastning, der ændrer, hvordan ilt bevæger sig ind og ud af disse materialer, "siger Morgan.

I øjeblikket, forskerne undersøger andre metoder til at optimere Ruddlesden-Popper-oxider til mulig brug i superledende baserede enheder, brændstofceller, iltfølere og elektroniske enheder såsom memristors. De undersøger også, hvordan fundene kan anvendes på en nært beslægtet gruppe af materialer kaldet perovskitter, som er et aktivt forskningsområde for Morgan -gruppen.

Papiret blev også præsenteret som en Naturkommunikation Editorens højdepunkt.