In een verrassende ontdekking, een internationaal team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van het University of Minnesota Center for Quantum Materials, ontdekte dat vervormingen in kwantummaterialen die onvolkomenheden in de kristalstructuur veroorzaken, de supergeleidende en elektrische eigenschappen van het materiaal daadwerkelijk kunnen verbeteren.

De baanbrekende bevindingen kunnen nieuwe inzichten opleveren voor de ontwikkeling van de volgende generatie op kwantum gebaseerde computers en elektronische apparaten.

Het onderzoek is zojuist verschenen in Natuurmaterialen .

"Kwantummaterialen hebben ongebruikelijke magnetische en elektrische eigenschappen die, indien begrepen en gecontroleerd, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in vrijwel elk aspect van de samenleving en zeer energiezuinige elektrische systemen mogelijk maken en sneller, nauwkeurigere elektronische apparaten, " zei co-auteur van de studie Martin Greven, een Distinguished McKnight Professor aan de University of Minnesota's School of Physics and Astronomy en de directeur van het Center for Quantum Materials. "Het vermogen om de eigenschappen van kwantummaterialen af ​​​​te stemmen en te wijzigen, is cruciaal voor vooruitgang in zowel fundamenteel onderzoek als moderne technologie."

Elastische vervorming van materialen treedt op wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan spanning, maar terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de spanning is verwijderd. In tegenstelling tot, plastische vervorming is de niet-omkeerbare verandering van de vorm van een materiaal als reactie op een uitgeoefende spanning - of, meer simpel, de handeling van het samenknijpen of uitrekken totdat het zijn vorm verliest. Plastische vervorming wordt al duizenden jaren door smeden en ingenieurs gebruikt. Een voorbeeld van een materiaal met een groot plastisch vervormingsbereik is natte kauwgom, die kan worden uitgerekt tot tientallen keren de oorspronkelijke lengte.

Hoewel elastische vervorming op grote schaal is gebruikt om kwantummaterialen te bestuderen en te manipuleren, de effecten van plastische vervorming zijn nog niet onderzocht. In feite, conventionele wijsheid zou wetenschappers ertoe brengen te geloven dat het "knijpen" of "uitrekken" van kwantummaterialen hun meest intrigerende eigenschappen kan verwijderen.

In deze baanbrekende nieuwe studie, de onderzoekers gebruikten plastische vervorming om uitgebreide periodieke defectstructuren te creëren in een prominent kwantummateriaal dat bekend staat als strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ). De defectstructuren veroorzaakten veranderingen in de elektrische eigenschappen en versterkten de supergeleiding.

"We waren behoorlijk verrast met de resultaten", zei Greven. "We gingen ervan uit dat onze technieken het materiaal echt zouden verknoeien. We hadden nooit gedacht dat deze onvolkomenheden de supergeleidende eigenschappen van de materialen daadwerkelijk zouden verbeteren, wat betekent dat, bij voldoende lage temperaturen, het zou elektriciteit kunnen vervoeren zonder energieverspilling."

Greven zei dat deze studie de grote belofte aantoont van plastische vervorming als een hulpmiddel om nieuwe kwantummaterialen te manipuleren en te creëren. Het kan leiden tot nieuwe elektronische eigenschappen, inclusief materialen met een groot potentieel voor toepassingen in de technologie, hij zei.

Greven zei ook dat de nieuwe studie de kracht van ultramoderne neutronen- en röntgenverstrooiingssondes benadrukt bij het ontcijferen van de complexe structuren van kwantummaterialen en van een wetenschappelijke benadering die experiment en theorie combineert.

"Wetenschappers kunnen deze technieken en hulpmiddelen nu gebruiken om duizenden andere materialen te bestuderen, "Zei Greven. "Ik verwacht dat we onderweg allerlei nieuwe fenomenen zullen ontdekken."

Naast de Universiteit van Minnesota, het team omvatte onderzoekers van de Universiteit van Zagreb, Kroatië; Ariel-universiteit, Israël; Peking Universiteit, Peking, China; Oak Ridge Nationaal Laboratorium; en Argonne Nationaal Laboratorium.