Många av oss är bekanta med titandioxid (TiO ₂ ), ett blekningsmedel som vanligtvis används i solkrämer och färger som de vita linjerna som syns på tennisbanor. Mindre kända är andra högre titanoxider-de med ett högre antal titan- och syreatomer än TiO-som nu är föremål för intensifierad forskning på grund av deras potentiella användning i nästa generations elektroniska enheter.

Nu, forskare vid Tokyo Tech har rapporterat supraledning i två sorters högre titanoxider framställda i form av ultratunna filmer. Med en tjocklek på cirka 120 nanometer, dessa material avslöjar egenskaper som bara har börjat utforskas.

"Vi lyckades odla tunna filmer av Ti ₄ O ₇ och γ-Ti3O5 för första gången, "säger Kohei Yoshimatsu, huvudförfattare till tidningen publicerad i Vetenskapliga rapporter .

Tills nu, de två materialen hade endast studerats i bulkform, där de beter sig som isolatorer - motsatsen till ledare. Bildandet av elektriskt ledande tunna filmer ses därför som ett stort framsteg för grundläggande fysik.

Forskarna fann att den supraledande övergångstemperaturen nådde 3,0 K för Ti ₄ O ₇ och 7,1 K för y-Ti3O5. Att uppnå 7,1 K även i enkla metalloxider är "ett fantastiskt resultat", säger Yoshimatsu, som "det representerar en av de högsta kända bland dessa oxider."

De tunna filmerna är epitaxiella, vilket innebär att de har en väl inriktad kristallin struktur (se figur 1). "De är extremt svåra att växa, "säger Yoshimatsu." I vår studie, istället för att använda konventionell TiO2 som utgångsmaterial, vi valde att börja med den något mer reducerade Ti ₂ O ₃ . "Då, under exakt kontrollerade atmosfäriska förhållanden, Ti ₄ O ₇ och y-Ti3O5-filmer odlades lager för lager på safirsubstrat i en process som kallas pulserad laseravsättning.

För att verifiera filmens kristallina strukturer, teamet samarbetade med forskare vid National Institute for Materials Science (NIMS) som använde karaktäriseringstekniker som röntgendiffraktion (XRD) med synkrotronstrålning vid SPring-8, en av världens största anläggningar i sitt slag belägen i Hyogo Prefecture, västra Japan.

Hittills, ingen vet exakt hur supraledning uppstår i dessa titanoxider. Det oregelbundna (eller så kallade icke-stökiometriska) arrangemanget av syreatomer anses spela en viktig faktor. Detta arrangemang introducerar syrevakanser1 som inte är stabila i bulkform. Genom att skapa precis tillräckligt med ledande elektroner, syret vakanser kan bidra till att framkalla supraledning.

Yoshimatsu säger att det kommer att behövas mer arbete för att undersöka de underliggande mekanismerna. Eftersom titanoxider är billiga och relativt enkla föreningar gjorda av endast två sorters element, han tillägger att de är attraktiva för vidare forskning.

Dessutom, han säger att studien kan främja utvecklingen av Josephson -korsningar2 som i framtiden kan användas för att bygga nya sorters elektroniska kretsar och, i sista hand, snabbare datorer.