Velen van ons zijn bekend met titaniumdioxide (TiO ₂ ), een bleekmiddel dat vaak wordt gebruikt in zonnebrandmiddelen en verven, zoals de witte lijnen op tennisbanen. Minder bekend zijn andere hogere titaniumoxiden - die met een hoger aantal titanium- en zuurstofatomen dan TiO - die nu het onderwerp zijn van intensiever onderzoek vanwege hun potentiële gebruik in elektronische apparaten van de volgende generatie.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Tokyo Tech hebben supergeleiding gerapporteerd in twee soorten hogere titaniumoxiden, bereid in de vorm van ultradunne films. Met een dikte van ongeveer 120 nanometer, deze materialen onthullen eigenschappen die nog maar net worden onderzocht.

"We zijn erin geslaagd dunne films van Ti ₄ O ₇ en γ-Ti3O5 voor de eerste keer, " zegt Kohei Yoshimatsu, hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Tot nu, de twee materialen waren alleen in bulkvorm bestudeerd, waarin ze zich gedragen als isolatoren - het tegenovergestelde van geleiders. De vorming van elektrisch geleidende dunne films wordt daarom gezien als een grote vooruitgang voor de fundamentele fysica.

De onderzoekers ontdekten dat de supergeleidende overgangstemperatuur 3,0 K bereikte voor Ti ₄ O ₇ en 7,1 K voor γ-Ti305. Het behalen van 7,1 K zelfs in eenvoudige metaaloxiden is "een verbluffend resultaat", zegt Yoshimatsu, als "het vertegenwoordigt een van de hoogst bekende onder deze oxiden."

De dunne films zijn epitaxiaal, wat betekent dat ze een goed uitgelijnde kristallijne structuur hebben (zie figuur 1). "Ze zijn extreem moeilijk te kweken, " zegt Yoshimatsu. "In onze studie, in plaats van conventioneel TiO2 als uitgangsmateriaal te gebruiken, we kozen ervoor om te beginnen met de iets meer gereduceerde Ti ₂ O ₃ ." Vervolgens, onder nauwkeurig gecontroleerde atmosferische omstandigheden, de Ti ₄ O ₇ en γ-Ti3O5-films werden laag voor laag op saffiersubstraten gekweekt in een proces dat pulsed-laser depositie wordt genoemd.

Om de kristallijne structuren van de films te verifiëren, het team werkte samen met onderzoekers van het National Institute for Materials Science (NIMS) die karakteriseringstechnieken zoals röntgendiffractie (XRD) gebruikten met behulp van synchrotronstraling bij SPring-8, een van 's werelds grootste faciliteiten in zijn soort, gelegen in de prefectuur Hyogo, westelijk Japan.

tot nu toe, niemand weet precies hoe supergeleiding in deze titaniumoxiden ontstaat. Men denkt dat de onregelmatige (of wat bekend staat als niet-stoichiometrische) rangschikking van zuurstofatomen een belangrijke factor speelt. Deze opstelling introduceert zuurstofvacatures1 die niet stabiel zijn in bulkvorm. Door net genoeg geleidende elektronen te creëren, de zuurstofvacatures kunnen helpen bij het induceren van supergeleiding.

Yoshimatsu zegt dat er meer werk nodig zal zijn om de onderliggende mechanismen te onderzoeken. Aangezien titaniumoxiden goedkope en relatief eenvoudige verbindingen zijn die uit slechts twee soorten elementen bestaan, hij voegt eraan toe dat ze aantrekkelijk zijn voor verder onderzoek.

In aanvulling, hij zegt dat de studie de ontwikkeling van Josephson-knooppunten2 kan bevorderen die in de toekomst kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten elektronische circuits te bouwen en, uiteindelijk, snellere computers.