Una nuova combinazione di microscopia ed elaborazione dei dati ha offerto ai ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy uno sguardo senza precedenti sulla superficie di un materiale noto per le sue insolite proprietà fisiche ed elettrochimiche.

Il team di ricerca guidato da Zheng Gai dell'ORNL ha esaminato come l'ossigeno influisca sulla superficie di una manganite perovskite, un materiale complesso che esibisce un comportamento magnetico ed elettronico drammatico. La nuova strada per comprendere il comportamento della superficie potrebbe avvantaggiare i ricercatori interessati a utilizzare un'ampia gamma di materiali di ossido correlati per applicazioni come celle a combustibile solido o sensori di ossigeno.

"Le proprietà della superficie sono fondamentali per qualsiasi applicazione sensibile, perché la superficie controlla l'interazione con il mondo esterno, " ha detto il coautore Art Baddorf.

I risultati della squadra, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , sottolineare perché i materiali sono chiamati "fortemente correlati":poiché le funzionalità chimiche e fisiche sono accoppiate, qualsiasi piccola modifica può influenzare l'intero sistema.

"È come se il materiale avesse molte manopole, e se ne giri uno, tutte le proprietà cambiano, "Gai ha detto. "Giri una manopola diversa e tutto cambia di nuovo. Si scopre che la superficie è un'altra manopola:puoi usarla per modificare le proprietà."

I ricercatori hanno utilizzato la microscopia a scansione a effetto tunnel ad alta risoluzione per generare immagini della superficie di manganite, fino al livello di 30 picometri. Un picometro è un trilionesimo di metro. Hanno quindi elaborato i dati di imaging per determinare la posizione di ciascun atomo e calcolare gli angoli tra gli atomi.

"Sapere dove sono posizionati gli atomi mostra come interagiscono, " ha detto Baddorf.

Le "mappe di distorsione" risultanti hanno portato in vista aree strutturali chiamate domini che non erano facilmente identificabili nelle immagini grezze. Le mappe mostravano chiaramente come la presenza di atomi di ossigeno costringesse gli atomi in uno schema a scacchiera noto come distorsione di Jahn-Teller. Gai afferma che lo studio del team è la prima volta che il fenomeno è stato osservato sulla superficie di un materiale.

"L'ossigeno cambia totalmente l'energia superficiale, " Gai ha detto. "Una volta introdotto l'ossigeno, agli elettroni non piace formare una linea retta; zigzagano per raggiungere uno stato energetico inferiore. Questa distorsione è un concetto molto comune nei materiali sfusi, ma nessuno è stato in grado di mostrare questo effetto in superficie prima d'ora."

Lo studio è pubblicato come "Ordine Jahn-Teller chimicamente indotto su superfici di manganite". I coautori sono Wenzhi Lin di ORNL, Paul Snijders, Tommaso Ward, J. Shen, Stefano Jesse, Sergei Kalinin, e Arthur Baddorf; J.D. Burton e Evgeny Tsymbal dell'Università del Nebraska; e K. Fuchigami di IHI Corporation.

Questa ricerca è stata condotta in parte presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. L'Office of Science del DOE ha sostenuto la ricerca. Il lavoro presso l'Università del Nebraska-Lincoln è stato sostenuto dalla National Science Foundation.