Uno sforzo collaborativo tra gruppi di ricerca presso l'Università tecnica di Freiberg e l'Università di Siegen in Germania dimostra che le proprietà fisiche di SrTiO3, o titanato di stronzio, nella sua forma monocristallina può essere modificata con un trattamento elettrico relativamente semplice. SrTi03 è un minerale spesso studiato per le sue proprietà superconduttive.

Il trattamento, descritto questa settimana in Lettere di fisica applicata , crea l'effetto noto come piezoelettricità, dove l'elettricità deriva da stress meccanico, nel materiale che originariamente non vedeva effetti piezoelettrici. Questo potrebbe essere estremamente importante in quanto la nostra società orientata alla tecnologia fa richieste sempre crescenti di nuovi materiali e proprietà insolite.

I materiali cristallini sono costituiti da atomi ed elettroni, che si dispongono secondo schemi periodici. La struttura atomica di un cristallo è simile a un pezzo di un motivo a punto croce, ma la scala è circa dieci milioni di volte più piccola. Mentre una tecnica a punto croce potrebbe essere difficile all'inizio, una volta appreso lo schema, basta ripetere gli stessi punti per riempire lo spazio disponibile. La natura funziona più o meno allo stesso modo nella costruzione dei cristalli:"impara" come collegare gli atomi tra loro in una cosiddetta cella unitaria e quindi ripete questo blocco per riempire lo spazio creando un reticolo cristallino.

Guardare una struttura cristallina è un po' come guardare un tessuto attraverso una lente d'ingrandimento. Utilizzando una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X, i ricercatori applicano stimoli esterni (ad esempio stiramento o una tensione elettrica) a un cristallo e vedono come rispondono le diverse connessioni ("punti" atomici).

"L'idea di questo lavoro è nata quando tenevo un colloquio a TU Freiberg, presentando la nostra nuova tecnica per la diffrazione di raggi X risolta nel tempo e studiando il materiale piezoelettrico. I nostri colleghi di Freiberg stavano studiando i volumi vicino alla superficie creati artificialmente di cristalli SrTiO3, con proprietà diverse dal normale bulk SrTiO3, " disse Semën Gorfman, un fisico dell'Università di Siegen.

Il team di ricerca di Siegen aveva sviluppato un'attrezzatura sperimentale unica per studiare le strutture cristalline in un campo che varia periodicamente utilizzando la diffrazione dei raggi X che è mobile e può connettersi a qualsiasi strumento disponibile, come un diffrattometro a raggi X da laboratorio o una linea di luce di sincrotrone.

"Poiché le misurazioni non sono di routine, questa attrezzatura sperimentale rende la nostra ricerca davvero unica e originale, " ha detto Gorfman. "Si è scoperto che la tecnica sviluppata a Siegen, era idealmente abbinato alla direzione di ricerca su cui stava lavorando il team di Freiberg, quindi abbiamo formulato l'ipotesi da testare (piezoelettricità nella fase vicina alla superficie modificata dal campo del cristallo SrTiO3), e un metodo sperimentale suggerito (diffrazione di raggi X risolta nel tempo stroboscopico), eseguito l'esperimento e ottenuto risultati."

Questo lavoro mostra che nuove proprietà fisiche possono essere create artificialmente, riportando l'effetto piezoelettrico nella nuova fase progettata artificialmente di SrTiO3, un materiale che non è piezoelettrico in condizioni normali.

"Riteniamo che le proprietà fisiche della fase polare indotta dal campo di migrazione in SrTiO3 aprano un nuovo e interessante capitolo per la ricerca, ha detto Gorfmann. "La sfida ora è rendere pratico l'effetto in modo che possa essere utilizzato per i dispositivi".