Undersøgelse afdækker, hvordan strukturelle ændringer påvirker de superledende egenskaber af et metaloxid

Et hold ledet af forskere fra University of Minnesota Twin Cities har opdaget, hvordan subtile strukturelle ændringer i strontiumtitanat, en metaloxidhalvleder, kan ændre materialets elektriske modstand og påvirke dets superledende egenskaber.

Forskningen kan hjælpe med at guide fremtidige eksperimenter og materialedesign relateret til superledning og skabelsen af ​​mere effektive halvledere til forskellige elektroniske enhedsapplikationer. Undersøgelsen er publiceret i Science Advances .

Strontiumtitanat har været på forskernes radar i de sidste 60 år, fordi det udviser mange interessante egenskaber. For det første bliver det en superleder, dvs. leder strøm jævnt uden modstand, ved lave temperaturer og lave koncentrationer af elektroner. Det gennemgår også en strukturændring ved 110 Kelvin (-262 grader Fahrenheit), hvilket betyder, at atomerne i dens krystallinske struktur ændrer deres arrangement. Forskere diskuterer dog stadig, hvad der præcist forårsager superledning i dette materiale på mikroskopisk niveau, eller hvad der sker, når dets struktur ændres.

I denne undersøgelse var det University of Minnesota-ledede team i stand til at kaste lys over disse problemer.

Ved at bruge en kombination af materialesyntese, analyse og teoretisk modellering fandt forskerne ud af, at den strukturelle ændring i strontiumtitanat direkte påvirker, hvordan elektrisk strøm flyder gennem materialet. De afslørede også, hvordan små ændringer i koncentrationen af ​​elektroner i materialet påvirker dets superledningsevne. Disse indsigter vil i sidste ende informere fremtidig forskning om dette materiale, herunder forskning i dets unikke superledende egenskaber.

"Rygraden i menneskets liv er afhængig af opdagelsen af ​​nye egenskaber i materialer, og videnskabsmænd og ingeniører kan bruge disse egenskaber til at lave nye enheder og teknologi," sagde Bharat Jalan, hovedforfatter og lektor og Shell Chair ved University of Minnesota Twin Byer Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab. "Det, denne undersøgelse viser, er en sammenhæng mellem superledning og materialestrukturen i strontiumtitanat. Men måske endnu vigtigere, det viser, at en samarbejdstilgang er essentiel for at tackle komplekse problemer inden for videnskab og teknik."

En vigtig grund til, at forskerne var i stand til at gøre denne opdagelse, var det faktum, at de var i stand til at syntetisere et strontiumtitanatmateriale, der var ekstremt "rent", hvilket betyder, at det indeholdt meget få urenheder. For at gøre dette brugte de en teknik kaldet hybrid molecular beam epitaxy (MBE) – en tilgang, som Jalans laboratorium har været banebrydende for.

Fordi materialet var så rent, var forskerne i stand til at foretage hidtil usete observationer i strontiumtitanat. Gennem teoretisk modellering var forskerne i stand til at forbinde de eksperimentelt observerede makroskopiske egenskaber med elektronernes mikroskopiske adfærd.

"Den observerede reaktion af de superledende egenskaber på små ændringer i tætheden af ​​elektroner giver nye brikker i det igangværende puslespil om superledning i strontiumtitanat," sagde University of Minnesota School of Physics and Astronomy Professor og medvirkende forfatter Rafael Fernandes, hvis gruppe håndterede teoretisk modelleringsaspekt af forskningen.

Denne forskning blev muliggjort af et samarbejde mellem tre University of Minnesota Twin Cities fakultetsmedlemmer:Jalan, hvis laboratorium stod i spidsen for indsatsen og håndterede materialesyntese og transportmålinger; Fernandes, hvis gruppe udførte de teoretiske beregninger; og School of Physics and Astronomy Lektor Vlad Pribiag, som er specialiseret i avanceret måling af egenskaber i tynde film.

"Mange spørgsmål i moderne videnskab og teknik er så komplekse, at de overstiger en enkelt disciplin," sagde Pribiag. "Det er ekstremt nyttigt at have disse samarbejder til rådighed inden for samme college. Du har brug for alle disse ingredienser for at løse en masse problemer." + Udforsk yderligere

Strontiumtitanats nye egenskaber er vigtige for elektronikforskning