Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities hat entdeckt, wie subtile Strukturänderungen in Strontiumtitanat, einem Metalloxid-Halbleiter, den elektrischen Widerstand des Materials verändern und seine supraleitenden Eigenschaften beeinflussen können.
Die Forschung kann dazu beitragen, zukünftige Experimente und Materialdesigns im Zusammenhang mit Supraleitung und die Schaffung effizienterer Halbleiter für verschiedene Anwendungen elektronischer Geräte zu leiten. Die Studie ist erschienen in Wissenschaftliche Fortschritte.
Strontiumtitanat ist seit 60 Jahren auf dem Radar der Wissenschaftler, weil es viele interessante Eigenschaften aufweist. Zum einen wird es zum Supraleiter, dh es leitet den Strom bei niedrigen Temperaturen und geringen Elektronenkonzentrationen reibungslos und widerstandslos. Es erfährt auch eine Strukturänderung bei 110 Kelvin (-262 Grad Fahrenheit), was bedeutet, dass die Atome in seiner kristallinen Struktur ihre Anordnung ändern. Wissenschaftler diskutieren jedoch noch, was genau die Supraleitung in diesem Material auf mikroskopischer Ebene verursacht oder was passiert, wenn sich seine Struktur ändert.
In dieser Studie konnte das von der University of Minnesota geleitete Team etwas Licht auf diese Probleme werfen.
Mithilfe einer Kombination aus Materialsynthese, Analyse und theoretischer Modellierung fanden die Forscher heraus, dass die Strukturänderung in Strontiumtitanat direkt beeinflusst, wie elektrischer Strom durch das Material fließt. Sie zeigten auch, wie kleine Änderungen der Elektronenkonzentration im Material seine Supraleitfähigkeit beeinflussen. Diese Erkenntnisse werden letztendlich die zukünftige Forschung zu diesem Material beeinflussen, einschließlich der Forschung zu seinen einzigartigen supraleitenden Eigenschaften.
„Das Rückgrat des menschlichen Lebens beruht auf der Entdeckung neuer Eigenschaften in Materialien, und Wissenschaftler und Ingenieure können diese Eigenschaften nutzen, um neue Geräte und Technologien herzustellen“, sagte Bharat Jalan, Hauptautor und außerordentlicher Professor und Shell-Lehrstuhlinhaber an der University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. „Was diese Studie zeigt, ist ein Zusammenhang zwischen der Supraleitung und der Materialstruktur in Strontiumtitanat. Aber vielleicht noch wichtiger ist, dass sie zeigt, dass ein kooperativer Ansatz unerlässlich ist, um komplexe Probleme in Wissenschaft und Technik anzugehen.“
Ein Hauptgrund, warum die Forscher diese Entdeckung machen konnten, war die Tatsache, dass sie in der Lage waren, ein Strontiumtitanat-Material zu synthetisieren, das extrem „sauber“ war, was bedeutet, dass es nur sehr wenige Verunreinigungen enthielt. Dazu verwendeten sie eine Technik namens Hybrid Molecular Beam Epitaxy (MBE) – ein Ansatz, für den Jalans Labor Pionierarbeit geleistet hat.
Da das Material so sauber war, konnten die Forscher bisher ungesehene Beobachtungen in Strontiumtitanat machen. Durch theoretische Modellierung konnten die Forscher die experimentell beobachteten makroskopischen Eigenschaften mit dem mikroskopischen Verhalten der Elektronen verbinden.
„Die beobachtete Reaktion der supraleitenden Eigenschaften auf kleine Änderungen der Elektronendichte liefert neue Teile im laufenden Puzzle der Supraleitung in Strontiumtitanat“, sagte Professor Rafael Fernandes, Professor an der School of Physics and Astronomy der University of Minnesota und beitragender Autor, dessen Gruppe die behandelte theoretischer Modellierungsaspekt der Forschung.
Diese Forschung wurde durch eine Zusammenarbeit zwischen drei Fakultätsmitgliedern der University of Minnesota Twin Cities ermöglicht: Jalan, dessen Labor die Bemühungen anführte und die Materialsynthese und Transportmessungen durchführte; Fernandes, dessen Gruppe die theoretischen Berechnungen durchführte; und der School of Physics and Astronomy Associate Professor Vlad Pribiag, der sich auf die fortgeschrittene Messung von Eigenschaften in Dünnschichten spezialisiert hat.
„Viele Fragen in der modernen Wissenschaft und Technik sind so komplex, dass sie eine einzelne Disziplin überschreiten“, sagte Pribiag. „Es ist äußerst nützlich, diese Kooperationen innerhalb derselben Hochschule verfügbar zu haben. Sie brauchen all diese Zutaten, um viele Probleme zu lösen.“
Jin Yue et al, Anomaler Transport in supraleitenden SrTiO3-Dünnfilmen mit hoher Mobilität, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl5668