Ingenjörer från University of Wisconsin-Madison har lagt till en ny dimension i vår förståelse av varför anstränga en viss grupp material, kallas Ruddlesden-Popper-oxider, manipulerar deras supraledande egenskaper.

Resultaten, publicerad i tidningen Naturkommunikation , kan hjälpa till att bana väg mot ny avancerad elektronik.

"Stam är en av rattarna vi kan vrida för att skapa material med önskvärda egenskaper, så det är viktigt att lära sig att manipulera dess effekter, "säger Dane Morgan, Harvey D. Spangler professor i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison och en författare på tidningen. "Dessa fynd kan också hjälpa till att förklara några förvirrande resultat i ansträngda material."

Supraledande material kan göra landets elnät mycket effektivare, tack vare deras förmåga att leda elektricitet med noll motstånd. Ämnena gör det också möjligt för MR -maskiner att se inuti patienternas kroppar och sväva kuggtåg ovanför spåren på grund av Meissner -effekten.

"Detta arbete är ett bra exempel på hur grundforskning kan påverka utvecklingen av transformativ teknik genom systematisk förståelse av materialbeteenden genom nära samspel mellan teori och experiment, "säger Ho Nyung Lee, en framstående forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory som ledde forskningen.

De flesta material blir bara supraledare när de är väldigt kalla - under en specifik punkt som kallas den kritiska temperaturen. För supraledare sammansatta av tunna filmer av Ruddlesden-Popper-materialet La1.85Sr0.15CuO4, den kritiska temperaturen varierar avsevärt beroende på de förhållanden under vilka filmerna odlades.

"Den rådande uppfattningen har varit att töjning gör det termodynamiskt lättare för syredefekter som förstör supraledande egenskaper att bildas i materialet, men vi har visat att skillnader i de kinetiska tidsskalorna för bildning av syredefekter mellan drag- och trycktöjning är en nyckelmekanism, säger Ryan Jacobs, en personalvetare i Morgans laboratorium och en förste författare på tidningen.

Syrebrister är viktiga eftersom mängden syre i ett material kan förändra dess kritiska temperatur. Den mest uppenbara tanken var att belastning kan påverka egenskaperna genom att justera hur mycket energi som behövs för att syrebrister ska uppträda.

Även om denna effekt inträffar, Jacobs och kollegor vid Oak Ridge National Laboratory visade att belastning inte bara påverkar hur lätt defekter bildas, men också den hastighet med vilken syre rör sig in och ut ur materialet. Dessa resultat tyder på att några av de viktigaste stamresponserna kan vara ett resultat av förändringar i kinetiska effekter.

"Att inse att kinetiken spelar en nyckelroll är mycket viktigt för hur du skapar materialet, säger Morgan.

Forskarna skapade de material de studerade genom att odla kristallina tunna filmer ovanpå två olika stödytor - en komprimerade de resulterande tunna filmerna medan den andra sträckte ut dem för att orsaka dragkraft.

Slående, de dragspända materialen behövde mycket kallare temperaturer än de komprimerade filmerna för att bli supraledare. Dessutom, dragpåkänning gjorde att materialen förlorade sina supraledande egenskaper snabbare än de komprimerade materialen.

Efter omfattande beräkningar, forskarna drog slutsatsen att termodynamiska effekter (via defektbildningsenergin) ensamma inte kunde förklara de dramatiska resultat de observerade. Genom att tillämpa sin expertis inom beräkningssimulering och beräkningsmodelleringsmetoden som kallas densitetsfunktionell teori, forskarna inskränkte sig på kinetik som en dominerande roll.

"Detta är det första fönstret för töjning som förändrar hur syre rör sig in och ut ur dessa material, säger Morgan.

För närvarande, forskarna undersöker andra metoder för att optimera Ruddlesden-Popper-oxider för möjlig användning i superledande baserade enheter, bränsleceller, syresensorer och elektroniska enheter som memristors. De undersöker också hur resultaten kan tillämpas på en närbesläktad grupp av material som kallas perovskiter, som är ett aktivt forskningsområde för Morgangruppen.

Tidningen presenterades också som en Naturkommunikation Redaktörens höjdpunkt.