Как структурные изменения влияют на сверхпроводящие свойства оксида металла
Группа исследователей из Университета городов-побратимов Миннесоты обнаружила, как тонкие структурные изменения в титанате стронция, полупроводнике на основе оксида металла, могут изменять электрическое сопротивление материала и влиять на его сверхпроводящие свойства.
Исследование может помочь в проведении будущих экспериментов и разработке материалов, связанных со сверхпроводимостью и созданием более эффективных полупроводников для различных приложений электронных устройств. Исследование опубликовано в Science Advances.
Титанат стронция был в центре внимания ученых в течение последних 60 лет, поскольку он обладает многими интересными свойствами. Во-первых, он становится сверхпроводником, т.е. плавно проводит электричество без сопротивления, при низких температурах и низкой концентрации электронов. Он также претерпевает структурные изменения при температуре 110 Кельвинов (-262 градуса по Фаренгейту), что означает, что атомы в его кристаллической структуре меняют свое расположение. Однако ученые до сих пор спорят, что именно вызывает сверхпроводимость в этом материале на микроскопическом уровне или что происходит при изменении его структуры.
В этом исследовании группа под руководством Университета Миннесоты смогла пролить свет на эти вопросы.
Используя комбинацию синтеза материалов, анализа и теоретического моделирования, исследователи обнаружили, что структурные изменения в титанате стронция напрямую влияют на то, как электрический ток протекает через материал. Они также показали, как небольшие изменения концентрации электронов в материале влияют на его сверхпроводимость. Эти идеи в конечном итоге послужат основой для будущих исследований этого материала, включая исследования его уникальных сверхпроводящих свойств.
«Основа человеческой жизни основана на открытии новых свойств материалов, и ученые и инженеры могут использовать эти свойства для создания новых устройств и технологий», — сказал Бхарат Джалан, ведущий автор и доцент и заведующий кафедрой Shell в Университете Миннесоты. Департамент химического машиностроения и материаловедения города. «Это исследование показывает связь между сверхпроводимостью и структурой материала в титанате стронция. Но, возможно, что еще более важно, оно показывает, что совместный подход необходим для решения сложных проблем в науке и технике».
Ключевой причиной, по которой исследователи смогли сделать это открытие, был тот факт, что они смогли синтезировать материал титаната стронция, который был чрезвычайно «чистым», то есть содержал очень мало примесей. Для этого они использовали метод гибридной молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — подход, впервые примененный в лаборатории Джалана.
Поскольку материал был настолько чистым, исследователи смогли провести ранее невиданные наблюдения в титанате стронция. Благодаря теоретическому моделированию исследователи смогли связать экспериментально наблюдаемые макроскопические свойства с микроскопическим поведением электронов.
«Наблюдаемая реакция сверхпроводящих свойств на небольшие изменения в плотности электронов дает новые кусочки в продолжающейся головоломке сверхпроводимости в титанате стронция », — сказал профессор Школы физики и астрономии Миннесотского университета и автор Рафаэль Фернандес, чья группа занималась исследованием. теоретико-моделирующий аспект исследования.
Это исследование стало возможным благодаря сотрудничеству между тремя преподавателями Университета городов-побратимов Миннесоты: Джаланом, чья лаборатория возглавила работу и занималась синтезом материалов и транспортными измерениями; Фернандес, группа которого выполнила теоретические расчеты; и доцент Школы физики и астрономии Влад Прибяг, который специализируется на передовых измерениях свойств тонких пленок.
«Многие вопросы в современной науке и технике настолько сложны, что выходят за рамки одной дисциплины», — сказал Прибьяг. «Наличие такого сотрудничества в одном и том же колледже чрезвычайно полезно. Вам нужны все эти ингредиенты для решения множества проблем».
