Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities ha descubierto cómo cambios estructurales sutiles en el titanato de estroncio, un semiconductor de óxido de metal, pueden alterar la resistencia eléctrica del material y afectar sus propiedades superconductoras.

La investigación puede ayudar a guiar futuros experimentos y diseños de materiales relacionados con la superconductividad y la creación de semiconductores más eficientes para diversas aplicaciones de dispositivos electrónicos. El estudio se publica en Science Advances .

El titanato de estroncio ha estado en el radar de los científicos durante los últimos 60 años porque muestra muchas propiedades interesantes. Por un lado, se convierte en un superconductor, es decir, conduce la electricidad sin problemas, sin resistencia, a bajas temperaturas y bajas concentraciones de electrones. También sufre un cambio de estructura a 110 Kelvin (-262 grados Fahrenheit), lo que significa que los átomos en su estructura cristalina cambian su disposición. Sin embargo, los científicos todavía están debatiendo qué causa exactamente la superconductividad en este material a nivel microscópico o qué sucede cuando cambia su estructura.

En este estudio, el equipo dirigido por la Universidad de Minnesota pudo arrojar algo de luz sobre estos problemas.

Usando una combinación de síntesis de materiales, análisis y modelado teórico, los investigadores encontraron que el cambio estructural dentro del titanato de estroncio afecta directamente la forma en que la corriente eléctrica fluye a través del material. También revelaron cómo pequeños cambios en las concentraciones de electrones en el material afectan su superconductividad. Estos conocimientos servirán de base para futuras investigaciones sobre este material, incluida la investigación sobre sus propiedades superconductoras únicas.

"La columna vertebral de la vida humana se basa en el descubrimiento de nuevas propiedades en los materiales, y los científicos e ingenieros pueden usar esas propiedades para fabricar nuevos dispositivos y tecnología", dijo Bharat Jalan, autor principal y profesor asociado y presidente de Shell en la Universidad de Minnesota Twin. Ciudades Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales. "Lo que muestra este estudio es una conexión entre la superconductividad y la estructura del material en el titanato de estroncio. Pero quizás aún más importante, muestra que un enfoque colaborativo es esencial para abordar problemas complejos en ciencia e ingeniería".

Una razón clave por la que los investigadores pudieron hacer este descubrimiento fue el hecho de que pudieron sintetizar un material de titanato de estroncio que era extremadamente "limpio", lo que significa que contenía muy pocas impurezas. Para hacer esto, utilizaron una técnica llamada epitaxia de haz molecular híbrido (MBE), un enfoque en el que el laboratorio de Jalan ha sido pionero.

Debido a que el material estaba tan limpio, los investigadores pudieron hacer observaciones nunca antes vistas en titanato de estroncio. A través de modelos teóricos, los investigadores pudieron conectar las propiedades macroscópicas observadas experimentalmente con el comportamiento microscópico de los electrones.

"La respuesta observada de las propiedades superconductoras a pequeños cambios en la densidad de los electrones proporciona nuevas piezas en el rompecabezas en curso de la superconductividad en el titanato de estroncio", dijo el profesor de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Minnesota y autor colaborador Rafael Fernandes, cuyo grupo manejó el estudio. modelado teórico aspecto de la investigación.

Esta investigación fue posible gracias a la colaboración entre tres profesores de la Universidad de Minnesota Twin Cities:Jalan, cuyo laboratorio encabezó el esfuerzo y manejó la síntesis de materiales y las mediciones de transporte; Fernandes, cuyo grupo realizó los cálculos teóricos; y el profesor asociado de la Facultad de Física y Astronomía Vlad Pribiag, que se especializa en la medición avanzada de propiedades en películas delgadas.

"Muchas preguntas en la ciencia e ingeniería modernas son tan complejas que exceden una sola disciplina", dijo Pribiag. "Tener estas colaboraciones disponibles dentro de la misma universidad es extremadamente útil. Necesitas todos estos ingredientes para resolver muchos problemas". + Explora más

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