Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno aggiunto una nuova dimensione alla nostra comprensione del perché sforzare un particolare gruppo di materiali, chiamati ossidi di Ruddlesden-Popper, altera le loro proprietà superconduttive.

Le scoperte, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare a spianare la strada verso la nuova elettronica avanzata.

"Strain è una delle manopole che possiamo girare per creare materiali con proprietà desiderabili, quindi è importante imparare a manipolarne gli effetti, "dice Dane Morgan, l'Harvey D. Spangler Professore di scienza dei materiali e ingegneria alla UW-Madison e autore senior del documento. "Questi risultati potrebbero anche aiutare a spiegare alcuni risultati sconcertanti in materiali tesi".

I materiali superconduttori potrebbero rendere la rete elettrica nazionale molto più efficiente, grazie alla loro capacità di condurre elettricità con resistenza zero. Le sostanze consentono anche alle macchine per la risonanza magnetica di vedere all'interno dei corpi dei pazienti e di far levitare i treni proiettili sopra i binari a causa dell'effetto Meissner.

"Questo lavoro è un buon esempio di come la ricerca di base possa influenzare lo sviluppo di tecnologie trasformative attraverso la comprensione sistematica dei comportamenti materiali mediante una stretta interazione tra teoria ed esperimento, "dice Ho Nyung Lee, un illustre scienziato presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia che ha guidato la ricerca.

La maggior parte dei materiali diventa superconduttori solo quando sono molto freddi, al di sotto di un punto specifico chiamato temperatura critica. Per superconduttori composti da film sottili del materiale Ruddlesden-Popper La1.85Sr0.15CuO4, tale temperatura critica varia sostanzialmente a seconda delle condizioni in cui i film sono stati cresciuti.

"L'opinione prevalente è stata che la deformazione rende termodinamicamente più facile la formazione di difetti di ossigeno che distruggono le proprietà superconduttive nel materiale, ma abbiamo dimostrato che le differenze nelle scale temporali cinetiche della formazione del difetto di ossigeno tra deformazione di trazione e compressione è un meccanismo chiave, "dice Ryan Jacobs, uno scienziato del personale nel laboratorio di Morgan e un co-primo autore della carta.

I difetti dell'ossigeno sono importanti perché la quantità di ossigeno contenuta all'interno di un materiale può alterare la sua temperatura critica. L'idea più ovvia era che la deformazione potesse influire sulle proprietà regolando la quantità di energia necessaria per la comparsa dei difetti dell'ossigeno.

Mentre questo effetto si verifica, Jacobs e colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory hanno dimostrato che la deformazione non influisce solo sulla facilità con cui si formano i difetti, ma anche la velocità con cui l'ossigeno entra ed esce dal materiale. Questi risultati suggeriscono che alcune delle più importanti risposte al ceppo possono essere il risultato di cambiamenti negli effetti cinetici.

"Riconoscere che la cinetica gioca un ruolo chiave è molto importante per come si crea il materiale, "dice Morgana.

Gli scienziati hanno creato i materiali che hanno studiato coltivando film sottili cristallini sopra due diverse superfici di supporto:uno ha compresso i film sottili risultanti mentre l'altro li ha allungati per causare deformazioni di trazione.

Sorprendentemente, i materiali sottoposti a trazione avevano bisogno di temperature molto più fredde rispetto ai film compressi per diventare superconduttori. Inoltre, lo sforzo di trazione ha fatto sì che i materiali perdessero le loro proprietà superconduttive più rapidamente dei materiali compressi.

Dopo lunghi calcoli, gli scienziati hanno concluso che gli effetti termodinamici (tramite l'energia di formazione del difetto) da soli non potevano spiegare i risultati drammatici che hanno osservato. Applicando la loro esperienza nella simulazione computazionale e nel metodo di modellazione computazionale noto come teoria del funzionale della densità, i ricercatori si sono limitati a considerare la cinetica come un ruolo dominante.

"Questa è la prima finestra sulla deformazione che altera il modo in cui l'ossigeno si muove dentro e fuori questi materiali, "dice Morgana.

Attualmente, i ricercatori stanno esplorando altri metodi per ottimizzare gli ossidi di Ruddlesden-Popper per un possibile utilizzo in dispositivi basati su superconduttori, celle a combustibile, sensori di ossigeno e dispositivi elettronici come i memristori. Stanno anche studiando come i risultati potrebbero essere applicati a un gruppo strettamente correlato di materiali chiamati perovskiti, che sono un'area di ricerca attiva per il gruppo Morgan.

Il documento è stato anche descritto come un Comunicazioni sulla natura Evidenziazione dell'editore.