Inducerede fejl i kvantematerialer kan forbedre superledende egenskaber

I en overraskende opdagelse, et internationalt team af forskere, ledet af forskere ved University of Minnesota Center for Quantum Materials, fundet, at deformationer i kvantematerialer, der forårsager ufuldkommenheder i krystalstrukturen, faktisk kan forbedre materialets superledende og elektriske egenskaber.

De banebrydende resultater kan give ny indsigt i udviklingen af ​​den næste generation af kvantebaserede computere og elektroniske enheder.

Forskningen er netop dukket op i Naturmaterialer .

"Kvantematerialer har usædvanlige magnetiske og elektriske egenskaber, hvis det forstås og kontrolleres, kunne revolutionere stort set alle aspekter af samfundet og muliggøre meget energieffektive elektriske systemer og hurtigere, mere præcise elektroniske enheder, " sagde studiemedforfatter Martin Greven, en fremtrædende McKnight-professor ved University of Minnesota's School of Physics and Astronomy og direktør for Center for Quantum Materials. "Evnen til at tune og ændre egenskaberne af kvantematerialer er afgørende for fremskridt inden for både grundlæggende forskning og moderne teknologi."

Elastisk deformation af materialer opstår, når materialet udsættes for belastning, men vender tilbage til sin oprindelige form, når spændingen er fjernet. I modsætning, plastisk deformation er den ikke-reversible ændring af et materiales form som reaktion på en påført belastning – eller, mere enkelt, handlingen med at klemme eller strække den, indtil den mister sin form. Plastisk deformation er blevet brugt af smede og ingeniører i tusinder af år. Et eksempel på et materiale med et stort plastisk deformationsområde er vådt tyggegummi, som kan strækkes til snesevis af gange sin oprindelige længde.

Mens elastisk deformation er blevet brugt i vid udstrækning til at studere og manipulere kvantematerialer, virkningerne af plastisk deformation er endnu ikke blevet undersøgt. Faktisk, konventionel visdom ville få videnskabsmænd til at tro, at "klemning" eller "strækning" af kvantematerialer kan fjerne deres mest spændende egenskaber.

I denne banebrydende nye undersøgelse, forskerne brugte plastisk deformation til at skabe udvidede periodiske defektstrukturer i et fremtrædende kvantemateriale kendt som strontiumtitanat (SrTiO) ₃ ). De defekte strukturer inducerede ændringer i de elektriske egenskaber og øgede superledningsevnen.

"Vi var ret overraskede over resultaterne," sagde Greven. "Vi gik ind i den tankegang, at vores teknikker virkelig ville ødelægge materialet. Vi ville aldrig have gættet på, at disse ufuldkommenheder faktisk ville forbedre materialernes superledende egenskaber, hvilket betyder at, ved lave nok temperaturer, den kunne transportere elektricitet uden energispild."

Greven sagde, at denne undersøgelse demonstrerer det store løfte om plastisk deformation som et værktøj til at manipulere og skabe nye kvantematerialer. Det kan føre til nye elektroniske egenskaber, herunder materialer med stort potentiale for anvendelser inden for teknologi, han sagde.

Greven sagde også, at den nye undersøgelse fremhæver styrken af ​​state-of-the-art neutron- og røntgenspredningsprober til at dechifrere de komplekse strukturer af kvantematerialer og af en videnskabelig tilgang, der kombinerer eksperimenter og teori.

"Forskere kan nu bruge disse teknikker og værktøjer til at studere tusindvis af andre materialer, " sagde Greven. "Jeg forventer, at vi vil opdage alle mulige nye fænomener undervejs."

Ud over University of Minnesota, holdet omfattede forskere fra University of Zagreb, Kroatien; Ariel Universitet, Israel; Peking Universitet, Beijing, Kina; Oak Ridge National Laboratory; og Argonne National Laboratory.