Een team onder leiding van Twin Cities-onderzoekers van de University of Minnesota heeft ontdekt hoe subtiele structurele veranderingen in strontiumtitanaat, een metaaloxidehalfgeleider, de elektrische weerstand van het materiaal kunnen veranderen en de supergeleidende eigenschappen ervan kunnen beïnvloeden.

Het onderzoek kan helpen bij toekomstige experimenten en materiaalontwerp met betrekking tot supergeleiding en het creëren van efficiëntere halfgeleiders voor verschillende toepassingen van elektronische apparaten. De studie is gepubliceerd in Science Advances .

Strontiumtitanaat staat de afgelopen 60 jaar op de radar van wetenschappers omdat het veel interessante eigenschappen vertoont. Ten eerste wordt het een supergeleider, d.w.z. geleidt elektriciteit soepel zonder weerstand, bij lage temperaturen en lage concentraties elektronen. Het ondergaat ook een structuurverandering bij 110 Kelvin (-262 graden Fahrenheit), wat betekent dat de atomen in zijn kristallijne structuur hun rangschikking veranderen. Wetenschappers discussiëren echter nog steeds over wat precies de supergeleiding in dit materiaal op microscopisch niveau veroorzaakt of wat er gebeurt als de structuur verandert.

In deze studie kon het door de Universiteit van Minnesota geleide team enig licht op deze problemen werpen.

Met behulp van een combinatie van materiaalsynthese, analyse en theoretische modellering ontdekten de onderzoekers dat de structurele verandering in strontiumtitanaat rechtstreeks van invloed is op hoe elektrische stroom door het materiaal stroomt. Ze onthulden ook hoe kleine veranderingen in de concentraties van elektronen in het materiaal de supergeleiding beïnvloeden. Deze inzichten zullen uiteindelijk toekomstig onderzoek naar dit materiaal informeren, inclusief onderzoek naar zijn unieke supergeleidende eigenschappen.

"De ruggengraat van het menselijk leven is afhankelijk van de ontdekking van nieuwe eigenschappen in materialen, en wetenschappers en ingenieurs kunnen die eigenschappen gebruiken om nieuwe apparaten en technologie te maken", zegt Bharat Jalan, hoofdauteur en universitair hoofddocent en Shell Chair aan de University of Minnesota Twin Steden Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Wat deze studie laat zien, is een verband tussen supergeleiding en de materiaalstructuur in strontiumtitanaat. Maar misschien nog belangrijker, het laat zien dat een gezamenlijke aanpak essentieel is om complexe problemen in wetenschap en techniek aan te pakken."

Een belangrijke reden waarom de onderzoekers deze ontdekking konden doen, was het feit dat ze een strontiumtitanaatmateriaal konden synthetiseren dat extreem "schoon" was, wat betekent dat het heel weinig onzuiverheden bevatte. Om dit te doen, gebruikten ze een techniek die hybride moleculaire bundelepitaxie (MBE) wordt genoemd, een benadering die het laboratorium van Jalan heeft ontwikkeld.

Omdat het materiaal zo schoon was, konden de onderzoekers voorheen onzichtbare waarnemingen doen in strontiumtitanaat. Door theoretische modellering konden de onderzoekers de experimenteel waargenomen macroscopische eigenschappen verbinden met het microscopische gedrag van de elektronen.

"De waargenomen reactie van de supergeleidende eigenschappen op kleine veranderingen in de dichtheid van elektronen levert nieuwe stukjes op in de voortdurende puzzel van supergeleiding in strontiumtitanaat", zegt professor aan de University of Minnesota School of Physics and Astronomy en bijdragende auteur Rafael Fernandes, wiens groep de theoretische modellering van het onderzoek.

Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door een samenwerking tussen drie faculteitsleden van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota:Jalan, wiens laboratorium de leiding had over de inspanning en de materiaalsynthese en transportmetingen uitvoerde; Fernandes, wiens groep de theoretische berekeningen uitvoerde; en School of Physics and Astronomy Universitair hoofddocent Vlad Pribiag, die gespecialiseerd is in het geavanceerd meten van eigenschappen in dunne films.

"Veel vragen in de moderne wetenschap en techniek zijn zo complex dat ze een enkele discipline overschrijden," zei Pribiag. "Het is heel handig om deze samenwerkingen binnen dezelfde hogeschool beschikbaar te hebben. Je hebt al deze ingrediënten nodig om veel problemen op te lossen." + Verder verkennen

Nieuwe eigenschappen van strontiumtitanaat zijn belangrijk voor elektronicaonderzoek