Een samenwerking tussen onderzoeksgroepen van de Technische Universiteit van Freiberg en de Universiteit van Siegen in Duitsland toont aan dat de fysische eigenschappen van SrTiO3, of strontiumtitanaat, in zijn eenkristalvorm kan worden veranderd door een relatief eenvoudige elektrische behandeling. SrTi03 is een mineraal dat vaak wordt bestudeerd vanwege zijn supergeleidende eigenschappen.

De behandeling, deze week beschreven in Technische Natuurkunde Brieven , creëert het effect dat bekend staat als piëzo-elektriciteit, waar elektriciteit het gevolg is van mechanische belasting, in het materiaal dat oorspronkelijk geen piëzo-elektrische effecten zag. Dit kan van groot belang zijn, aangezien onze technologisch georiënteerde samenleving steeds hogere eisen stelt aan nieuwe materialen en ongebruikelijke eigenschappen.

Kristallijne materialen zijn gemaakt van atomen en elektronen, die zich in periodieke patronen rangschikken. De atomaire structuur van een kristal is vergelijkbaar met een stuk van een kruissteekpatroon, maar de schaal is ongeveer tien miljoen keer kleiner. Hoewel een kruissteektechniek in het begin misschien lastig is, als je het patroon eenmaal hebt geleerd, u herhaalt gewoon dezelfde steken om de beschikbare ruimte te vullen. De natuur werkt ongeveer op dezelfde manier bij het bouwen van kristallen:het "leert" hoe atomen met elkaar te verbinden in een zogenaamde eenheidscel en herhaalt vervolgens deze bouwsteen om de ruimte te vullen en een kristalrooster te maken.

Kijken naar een kristalstructuur is een beetje als kijken naar stof door een vergrootglas. Met behulp van een techniek genaamd röntgendiffractie, onderzoekers passen externe stimuli toe (bijvoorbeeld rek of een elektrische spanning) op een kristal en zien hoe verschillende verbindingen (atomaire "steken") reageren.

"Het idee voor dit werk werd geboren toen ik een colloquiumlezing gaf in de TU Freiberg, we presenteren onze nieuwe techniek voor in de tijd opgeloste röntgendiffractie en het onderzoeken van piëzo-elektrisch materiaal. Onze collega's in Freiberg hadden onderzoek gedaan naar kunstmatig gecreëerde volumes van SrTiO3-kristallen in de buurt van het oppervlak, met eigenschappen die verschillen van de normale bulk SrTiO3, " zei Semen Gorfman, een natuurkundige van de Universiteit van Siegen.

Het Siegen-onderzoeksteam had unieke experimentele apparatuur ontwikkeld om kristalstructuren te onderzoeken onder een periodiek variërend veld met behulp van röntgendiffractie die mobiel is en verbinding kan maken met elk beschikbaar instrument, zoals een home-lab röntgendiffractometer of een synchrotron beamline.

"Omdat de metingen niet-routinematig zijn, deze experimentele apparatuur maakt ons onderzoek echt uniek en origineel, ', zei Gorfman. 'Het bleek dat de techniek die bij Siegen werd ontwikkeld, was ideaal afgestemd op de onderzoeksrichting waar het Freiberg-team aan werkte, dus kwamen we met de te testen hypothese (piëzo-elektriciteit in veldgemodificeerde nabije oppervlaktefase van SrTiO3-kristal), en een voorgestelde experimentele methode (stroboscopische tijdsopgeloste röntgendiffractie), voerde het experiment uit en kreeg resultaten."

Dit werk laat zien dat nieuwe fysieke eigenschappen kunstmatig kunnen worden gecreëerd, rapportage van het piëzo-elektrische effect in de kunstmatig ontworpen nieuwe fase van SrTiO3, een materiaal dat onder normale omstandigheden niet piëzo-elektrisch is.

"Wij geloven dat de fysieke eigenschappen van de door het migratieveld geïnduceerde polaire fase in SrTiO3 een nieuw en interessant hoofdstuk opent voor onderzoek, aldus Gorfman. "De uitdaging is nu om het effect praktisch te maken, zodat het voor apparaten kan worden gebruikt."