Ett samarbete mellan forskargrupper vid tekniska universitetet i Freiberg och universitetet i Siegen i Tyskland visar att de fysiska egenskaperna hos SrTiO3, eller strontiumtitanat, i sin enkristallform kan ändras genom en relativt enkel elektrisk behandling. SrTi03 är ett mineral som ofta studeras för sina supraledande egenskaper.
Behandlingen, beskrivs denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , skapar effekten som kallas piezoelektricitet, där elektricitet är ett resultat av mekanisk påfrestning, i materialet som ursprungligen inte såg piezoelektriska effekter. Detta kan vara oerhört viktigt då vårt teknologiskt orienterade samhälle ställer ständigt växande krav på nya material och ovanliga egenskaper.
Kristallina material är gjorda av atomer och elektroner, som ordnar sig i periodiska mönster. Atomstrukturen hos en kristall liknar en bit av ett korsstygnmönster, men skalan är ungefär tio miljoner gånger mindre. Även om en korsstygnsteknik kan vara knepig i början, när du lär dig mönstret, du upprepar bara samma stygn för att fylla det tillgängliga utrymmet. Naturen fungerar ungefär på samma sätt för att bygga kristaller:den "lär sig" hur man förbinder atomer med varandra i en så kallad enhetscell och upprepar sedan denna byggsten för att fylla utrymmet som gör ett kristallgitter.
Att titta på en kristallstruktur är ungefär som att titta på tyg genom ett förstoringsglas. Med hjälp av en teknik som kallas röntgendiffraktion, forskare applicerar yttre stimuli (t.ex. stretch eller en elektrisk spänning) på en kristall och ser hur olika kopplingar (atomära "stygn") reagerar.
"Idén till detta arbete föddes när jag höll ett kollokvietal på TU Freiberg, presenterar vår nya teknik för tidsupplöst röntgendiffraktion och undersöker piezoelektriskt material. Våra kollegor i Freiberg hade undersökt artificiellt skapade volymer nära ytan av SrTiO3-kristaller, med egenskaper som skiljer sig från normal bulk SrTiO3, sade Semën Gorfman, en fysiker vid University of Siegen.
Siegen-forskargruppen hade utvecklat unik experimentell utrustning för att undersöka kristallstrukturer under ett periodiskt varierande fält med hjälp av röntgendiffraktion som är mobil och kan anslutas till alla tillgängliga instrument, såsom en hemmalab-röntgendiffraktometer eller en synkrotronstrållinje.
"Eftersom mätningarna är icke-rutina, denna experimentella utrustning gör vår forskning verkligt unik och originell, " sa Gorfman. "Det visade sig att tekniken utvecklades vid Siegen, var idealiskt anpassad till den forskningsriktning som Freiberg-teamet arbetade med, så vi kom fram till hypotesen som skulle testas (piezoelektricitet i fältmodifierad nära ytfas av SrTiO3-kristall), och en föreslagen experimentell metod (stroboskopisk tidsupplöst röntgendiffraktion), utförde experimentet och fick resultat."
Detta arbete visar att nya fysiska egenskaper kan skapas på konstgjord väg, rapporterar den piezoelektriska effekten i den konstgjorda nya fasen av SrTiO3, ett material som inte är piezoelektriskt under normala förhållanden.
"Vi tror att de fysiska egenskaperna hos migrationsfältsinducerad polär fas i SrTiO3 öppnar ett nytt och intressant kapitel för forskning, sa Gorfman. "Utmaningen nu är att göra effekten praktisk så att den kan användas för enheter."
