Kredit:CC0 Public Domain
Ett team ledd av University of Minnesota Twin Cities forskare har upptäckt hur subtila strukturella förändringar i strontiumtitanat, en metalloxidhalvledare, kan förändra materialets elektriska motstånd och påverka dess supraledande egenskaper.
Forskningen kan hjälpa till att vägleda framtida experiment och materialdesign relaterade till supraledning och skapandet av mer effektiva halvledare för olika elektroniska enhetstillämpningar. Studien publiceras i Science Advances .
Strontiumtitanat har funnits på forskarnas radar under de senaste 60 åren eftersom det uppvisar många intressanta egenskaper. För det första blir det en supraledare, det vill säga leder elektricitet smidigt utan motstånd, vid låga temperaturer och låga koncentrationer av elektroner. Den genomgår också en strukturförändring vid 110 Kelvin (-262 grader Fahrenheit), vilket betyder att atomerna i dess kristallina struktur ändrar sitt arrangemang. Men forskare diskuterar fortfarande vad som exakt orsakar supraledning i detta material på mikroskopisk nivå eller vad som händer när dess struktur förändras.
I denna studie kunde University of Minnesota-ledda teamet belysa dessa frågor.
Med hjälp av en kombination av materialsyntes, analys och teoretisk modellering fann forskarna att den strukturella förändringen inom strontiumtitanat direkt påverkar hur elektrisk ström flyter genom materialet. De avslöjade också hur små förändringar i koncentrationen av elektroner i materialet påverkar dess supraledning. Dessa insikter kommer i slutändan att informera framtida forskning om detta material, inklusive forskning om dess unika supraledande egenskaper.
"Ryggraden i mänskligt liv är beroende av upptäckten av nya egenskaper i material, och forskare och ingenjörer kan använda dessa egenskaper för att skapa nya enheter och teknologi", säger Bharat Jalan, huvudförfattare och docent och Shell-ordförande vid University of Minnesota Twin Städer Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap. "Vad den här studien visar är ett samband mellan supraledning och materialstrukturen i strontiumtitanat. Men kanske ännu viktigare, den visar att en samarbetsstrategi är avgörande för att ta itu med komplexa problem inom vetenskap och teknik."
En viktig anledning till att forskarna kunde göra denna upptäckt var det faktum att de kunde syntetisera ett strontiumtitanatmaterial som var extremt "rent", vilket innebär att det innehöll väldigt få föroreningar. För att göra detta använde de en teknik som kallas hybrid molekylär strålepitaxi (MBE) – ett tillvägagångssätt som Jalans labb har varit banbrytande för.
Eftersom materialet var så rent kunde forskarna göra tidigare osynliga observationer i strontiumtitanat. Genom teoretisk modellering kunde forskarna koppla de experimentellt observerade makroskopiska egenskaperna med elektronernas mikroskopiska beteende.
"Det observerade svaret av de supraledande egenskaperna på små förändringar i elektrontätheten ger nya bitar i det pågående pusslet om supraledning i strontiumtitanat", säger University of Minnesota School of Physics and Astronomy Professor och bidragande författare Rafael Fernandes, vars grupp hanterade teoretisk modelleringsaspekt av forskningen.
Denna forskning möjliggjordes av ett samarbete mellan tre fakultetsmedlemmar vid University of Minnesota Twin Cities:Jalan, vars labb stod i spetsen för arbetet och hanterade materialsyntes och transportmätningar; Fernandes, vars grupp utförde de teoretiska beräkningarna; och School of Physics and Astronomy Docent Vlad Pribiag, som är specialiserad på avancerad mätning av egenskaper i tunna filmer.
"Många frågor inom modern vetenskap och teknik är så komplexa att de överskrider en enda disciplin," sa Pribiag. "Att ha dessa samarbeten tillgängliga inom samma college är extremt användbart. Du behöver alla dessa ingredienser för att lösa många problem." + Utforska vidare
