Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han agregado una nueva dimensión a nuestra comprensión de por qué forzar un grupo particular de materiales, llamados óxidos de Ruddlesden-Popper, manipula sus propiedades superconductoras.

Los resultados, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a allanar el camino hacia la nueva electrónica avanzada.

"La tensión es una de las perillas que podemos girar para crear materiales con propiedades deseables, por lo que es importante aprender a manipular sus efectos, "dice Dane Morgan, el profesor Harvey D. Spangler de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison y autor principal del artículo. "Estos hallazgos también podrían ayudar a explicar algunos resultados desconcertantes en materiales tensos".

Los materiales superconductores podrían hacer que la red eléctrica del país sea mucho más eficiente, gracias a su capacidad para conducir electricidad con cero resistencia. Las sustancias también permiten que las máquinas de resonancia magnética vean el interior de los cuerpos de los pacientes y hagan levitar trenes de balas sobre las vías debido al efecto Meissner.

"Este trabajo es un buen ejemplo de cómo la investigación básica puede influir en el desarrollo de tecnologías transformadoras a través de la comprensión sistemática de los comportamientos materiales mediante una estrecha interacción entre la teoría y el experimento, "dice Ho Nyung Lee, un científico distinguido del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía que dirigió la investigación.

La mayoría de los materiales solo se convierten en superconductores cuando están muy fríos, por debajo de un punto específico llamado temperatura crítica. Para superconductores compuestos de películas delgadas del material Ruddlesden-Popper La1.85Sr0.15CuO4, esa temperatura crítica varía sustancialmente dependiendo de las condiciones en las que se cultivaron las películas.

"La opinión predominante ha sido que la tensión facilita termodinámicamente la formación de defectos de oxígeno que destruyen las propiedades superconductoras en el material, pero hemos demostrado que las diferencias en las escalas de tiempo cinéticas de la formación de defectos de oxígeno entre la deformación por tracción y la compresión es un mecanismo clave, "dice Ryan Jacobs, científico de planta en el laboratorio de Morgan y coautor del artículo.

Los defectos de oxígeno son importantes porque la cantidad de oxígeno contenida en un material puede alterar su temperatura crítica. La idea más obvia era que la deformación podría afectar las propiedades ajustando la cantidad de energía necesaria para que aparezcan los defectos de oxígeno.

Si bien este efecto ocurre, Jacobs y sus colegas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostraron que la tensión no solo afecta la facilidad con que se forman los defectos, pero también la velocidad a la que el oxígeno entra y sale del material. Estos resultados sugieren que algunas de las respuestas de tensión más importantes pueden ser el resultado de cambios en los efectos cinéticos.

"Reconocer que la cinética juega un papel clave es muy importante para la forma de crear el material, "dice Morgan.

Los científicos crearon los materiales que estudiaron haciendo crecer películas delgadas cristalinas sobre dos superficies de soporte diferentes:una comprimía las películas delgadas resultantes mientras que la otra las estiraba para causar tensión de tracción.

Sorprendentemente, los materiales sometidos a tensión de tracción necesitaban temperaturas mucho más frías que las películas comprimidas para convertirse en superconductores. Adicionalmente, La tensión de tracción hizo que los materiales perdieran sus propiedades superconductoras más rápidamente que los materiales comprimidos.

Después de extensos cálculos, los científicos concluyeron que los efectos termodinámicos (a través de la energía de formación de defectos) por sí solos no podían explicar los dramáticos resultados que observaron. Al aplicar su experiencia en simulación computacional y el método de modelado computacional conocido como teoría funcional de densidad, los investigadores se centraron en la cinética como una función dominante.

"Esta es la primera ventana sobre la alteración de la tensión en la forma en que el oxígeno entra y sale de estos materiales, "dice Morgan.

En la actualidad, los investigadores están explorando otros métodos para optimizar los óxidos de Ruddlesden-Popper para su posible uso en dispositivos basados ​​en superconductores, celdas de combustible, sensores de oxígeno y dispositivos electrónicos como memristores. También están investigando cómo los hallazgos podrían aplicarse a un grupo de materiales estrechamente relacionados llamados perovskitas. que son un área de investigación activa para el grupo Morgan.

El documento también se presentó como un Comunicaciones de la naturaleza Resaltado del editor.