Wanneer mensen zich "nieuwe materialen, "Ze denken meestal aan scheikunde. Maar UConn-natuurkundige Ilya Sochnikov heeft een andere suggestie:mechanica.

Sochnikov werkt met supergeleiders. Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit laten stromen zonder energie te verliezen. In een normale dirigent - zeg, een hoogspanningslijn - elektrische stroom wordt geleidelijk verminderd door wrijving en verlies. We verliezen maar liefst 90% van de elektriciteit die we op deze manier opwekken. Maar een elektrische stroom kan voor altijd door een supergeleidend circuit vloeien, onveranderlijk. Praktische supergeleiders zouden elektriciteitsnetten en veel apparaten maken, inclusief nieuwe computers, veel energiezuiniger.

Chemici en metallurgen hebben jarenlang geëxperimenteerd met verschillende combinaties van elementen, proberen supergeleiders te krijgen die werken bij temperaturen dicht bij kamertemperatuur (de meeste supergeleiders werken alleen als ze superkoud zijn). Het idee is om de perfecte combinatie van elementen te bedenken die precies de juiste dichtheid van elektronen hebben, op de juiste energieën. Wanneer dat gebeurt, elektronen paren en bewegen zich gesynchroniseerd door het materiaal, zelfs bij temperaturen boven 77 graden Kelvin, dat is de temperatuur van vloeibare stikstof. Dat wordt beschouwd als een hoge temperatuur supergeleider, omdat vloeibare stikstof goedkoop te produceren is en als koelmiddel kan worden gebruikt. Maar het vinden van de juiste chemie om nieuwe en betere supergeleiders voor hoge temperaturen te maken, was ongrijpbaar.

Sochnikov en zijn studenten denken er anders over. Wat als mechanische veranderingen zoals knijpen of uitrekken een materiaal een supergeleider zouden kunnen maken? Het veranderen van de chemie gaat uiteindelijk over het veranderen van de rangschikking van atomen en elektronen in een materiaal. Mechanische spanningen kunnen hetzelfde doen, op een andere manier.

Samen met de studenten van de afdeling Natuurkunde Chloe Herrera, Jona Cerbin, Donny Davino, en Jacob Franklin, Sochnikov ontwierp een machine om een ​​klein stukje supergeleider uit te rekken om te zien wat er zou gebeuren. Ze kozen strontiumtitanaat, een bekend materiaal dat wordt gebruikt in hightech-elektronicatoepassingen als grote en bijna perfecte kristallen, die een supergeleider wordt rond 0,5 graden Kelvin. Dat is belachelijk koud, zelfs kouder dan vloeibaar helium. Maar strontiumtitanaat gedraagt ​​zich heel raar als het zo koud is. Zijn atomen polariseren; dat betekent dat ze allemaal synchroon oscilleren. Je kunt je voorstellen dat ze zachtjes op en neer stuiteren, alles bij elkaar. Deze oscillaties hebben de neiging om elektronen aan elkaar te koppelen, hen helpen als een paar te bewegen - dit is waarschijnlijk wat het supergeleid maakt.

Sochnikov en de studenten in de groep wisten dat het uitrekken van strontiumtitanaat de manier waarop de atomen oscilleerden zou veranderen. Dat, beurtelings, zou kunnen veranderen hoe de elektronen bewogen. De machine die het kristal uitrekt, is gemaakt van koper om warmte weg te leiden van het kristal. Het grootste deel van de rest van de werking is bedekt met goud om de warmte van buitenaf te reflecteren. Het gebruikt drie cilinders om het materiaal te koelen; eerst naar de temperatuur van vloeibare stikstof (70K), dan vloeibaar helium (4K), vervolgens tot een kokend mengsel van helium-3 en helium-4 (vanwege vreemde kwantumeffecten, het is zelfs kouder dan gewoon vloeibaar helium - slechts een paar duizendsten Kelvin! Echt dicht bij het absolute nulpunt!)

De hele opstelling is opgehangen in een stalen frame dat drijft op schokdempers, om te voorkomen dat trillingen in de vloer het experiment verstoren.

Toen Sochnikov, Herrera, Cerbin, Davino, en Franklin deed het experiment en keek naar de resultaten, ze ontdekten dat uitgerekte strontiumtitanaat supergeleidend wordt bij temperaturen die 40% hoger zijn dan normaal. Dat is een enorme stijging, procentueel gezien. Ze denken dat het komt omdat het uitrekken van het materiaal het gemakkelijker maakt voor de atomen om te oscilleren, de elektronen steviger aan elkaar lijmen. Nutsvoorzieningen, ze zijn aan het berekenen wat het verschil maakte, en ben van plan het in de nabije toekomst in andere materialen te testen.

"Meestal controleren we materialen chemisch. Hier, wij doen het machinaal. Dit geeft ons een ander hulpmiddel om supergeleiders dichter bij het dagelijks leven te brengen, en om nieuwe functionaliteiten te ontdekken, ' zegt Sochnikov.