Ingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een nieuwe dimensie toegevoegd aan ons begrip van waarom het belasten van een bepaalde groep materialen, Ruddlesden-Popper-oxiden genoemd, knoeit met hun supergeleidende eigenschappen.

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor nieuwe geavanceerde elektronica.

"Strain is een van de knoppen waaraan we kunnen draaien om materialen met gewenste eigenschappen te creëren, dus het is belangrijk om de effecten ervan te leren manipuleren, " zegt Dane Morgan, de Harvey D. Spangler hoogleraar materiaalkunde en techniek aan UW-Madison en een senior auteur op het papier. "Deze bevindingen kunnen ook helpen bij het verklaren van enkele raadselachtige resultaten in gespannen materialen."

Supergeleidende materialen kunnen het elektriciteitsnet van het land veel efficiënter maken, dankzij hun vermogen om elektriciteit te geleiden zonder weerstand. De stoffen stellen MRI-machines ook in staat om in het lichaam van patiënten te kijken en kogeltreinen boven de sporen te laten zweven vanwege het Meissner-effect.

"Dit werk is een goed voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek de ontwikkeling van transformatieve technologieën kan beïnvloeden door systematisch begrip van materieel gedrag door nauwe interactie tussen theorie en experiment, " zegt Ho Nyung Lee, een vooraanstaande wetenschapper bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, die het onderzoek leidde.

De meeste materialen worden alleen supergeleiders als ze erg koud zijn - onder een bepaald punt dat de kritische temperatuur wordt genoemd. Voor supergeleiders die zijn samengesteld uit dunne films van het Ruddlesden-Popper-materiaal La1.85Sr0.15CuO4, die kritische temperatuur varieert aanzienlijk afhankelijk van de omstandigheden waaronder de films werden gekweekt.

"De heersende mening was dat spanning het thermodynamisch gemakkelijker maakt voor zuurstofdefecten die de supergeleidende eigenschappen vernietigen om zich in het materiaal te vormen, maar we hebben aangetoond dat verschillen in de kinetische tijdschalen van zuurstofdefectvorming tussen trek- en drukspanning een sleutelmechanisme is, " zegt Ryan Jacobs, een stafwetenschapper in het laboratorium van Morgan en een co-eerste auteur op het papier.

Zuurstofgebreken zijn belangrijk omdat de hoeveelheid zuurstof in een materiaal de kritische temperatuur kan veranderen. Het meest voor de hand liggende idee was dat spanning de eigenschappen zou kunnen beïnvloeden door aan te passen hoeveel energie nodig is om zuurstofgebreken te laten optreden.

Hoewel dit effect optreedt, Jacobs en collega's van het Oak Ridge National Laboratory hebben aangetoond dat spanning niet alleen invloed heeft op hoe gemakkelijk defecten ontstaan, maar ook de snelheid waarmee zuurstof in en uit het materiaal beweegt. Deze resultaten suggereren dat enkele van de belangrijkste stamreacties het gevolg kunnen zijn van veranderingen in kinetische effecten.

"Erkennen dat kinetiek een sleutelrol speelt, is erg belangrijk voor hoe je het materiaal maakt, ' zegt Morgan.

De wetenschappers creëerden de materialen die ze bestudeerden door kristallijne dunne films op twee verschillende ondersteunende oppervlakken te laten groeien - de ene comprimeerde de resulterende dunne films terwijl de andere ze uitrekte om trekspanning te veroorzaken.

Opvallend, de door trekkracht belaste materialen hadden veel koudere temperaturen nodig dan de gecomprimeerde films om supergeleiders te worden. Aanvullend, trekspanning zorgde ervoor dat de materialen hun supergeleidende eigenschappen sneller verloren dan de gecomprimeerde materialen.

Na uitgebreide berekeningen de wetenschappers concludeerden dat thermodynamische effecten (via de defectvormingsenergie) alleen de dramatische resultaten die ze zagen niet konden verklaren. Door hun expertise in computationele simulatie en de computationele modelleringsmethode die bekend staat als dichtheidsfunctionaaltheorie toe te passen, de onderzoekers beperkten zich tot kinetiek als een dominante rol.

"Dit is het eerste venster op spanning die verandert hoe zuurstof in en uit deze materialen beweegt, ' zegt Morgan.

Momenteel, de onderzoekers onderzoeken andere methoden om Ruddlesden-Popper-oxiden te optimaliseren voor mogelijk gebruik in op supergeleidende apparaten, brandstofcellen, zuurstofsensoren en elektronische apparaten zoals memristors. Ze onderzoeken ook hoe de bevindingen kunnen worden toegepast op een nauw verwante groep materialen die perovskieten worden genoemd, die een actief onderzoeksgebied zijn voor de Morgan-groep.

Het papier werd ook gekenmerkt als een Natuurcommunicatie Hoogtepunt van de redactie.