Chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo, L'université de Tohoku et l'université de Tokyo ont appliqué des méthodes de balayage avancées pour visualiser la surface jusqu'alors inexplorée d'un supraconducteur :le titanate de lithium (LiTi 2 O 4 ).

LiTi 2 O 4 est le seul exemple connu d'un supraconducteur dit à oxyde de spinelle. Sa rareté fait du LiTi 2 O 4 d'un grand intérêt pour ceux qui étudient les origines de la supraconductivité, car il a la température de transition supraconductrice la plus élevée (jusqu'à 13, 7 K) au sein de ce groupe de matériaux.

Bien que LiTi 2 O 4 en vrac a été étudié pendant des décennies, on sait peu de choses sur ses surfaces, en raison de la difficulté de préparer un LiTi approprié 2 O 4 surfaces pour une analyse plus approfondie.

Maintenant, en utilisant une combinaison de méthodes expérimentales et théoriques, une équipe de chercheurs comprenant Taro Hitosugi de Tokyo Tech et l'Institut avancé de recherche sur les matériaux de l'Université de Tohoku, a obtenu des preuves visuelles de la supraconductivité sur du LiTi ultrafin 2 O 4 cinéma, marquant une étape importante dans la science des surfaces.

Publié dans Communication Nature , l'étude a commencé par la détection d'un « écart énergétique inattendu, " faisant allusion à l'existence d'une supraconductivité à la surface. De plus, leurs investigations ont révélé que la supraconductivité de surface est dans des états différents de celle de l'intérieur en vrac. Les chercheurs ont utilisé deux méthodes expérimentales pour visualiser cette découverte :le dépôt laser pulsé (PLD), une technique qui a permis la production de LiTi de haute qualité 2 O 4 films sous vide; et microscopie/spectroscopie à effet tunnel à basse température (STM/STS), pour une image précise des surfaces.

"Imager les atomes pour la première fois était surprenant, comme il est généralement très difficile d'observer les atomes d'oxyde de spinelle, " dit Hitosugi. " Nous avons alors voulu connaître l'arrangement atomique exact à la surface, et pour ce faire, nous avons comparé la théorie et l'expérience."

Donc, pour approfondir la façon dont les atomes sont disposés, l'équipe a effectué des calculs théoriques qui l'ont amenée à considérer quatre types de coupe de surface à partir de LiTi en vrac 2 O 4 . En comparant ces quatre types, les chercheurs en ont trouvé une - appelée surface à terminaison TiLi2 - qui correspondait à leurs observations expérimentales.

Hitosugi explique que "connaître l'arrangement précis des atomes est la chose la plus importante, " car ces connaissances aideront à faire progresser la compréhension de la supraconductivité à sa limite la plus mince, supraconductivité bidimensionnelle à la surface.

En plus des propriétés supraconductrices, connaître les arrangements atomiques pourrait conduire à dévoiler les mécanismes derrière le fonctionnement des batteries lithium-ion. La compréhension des surfaces des électrodes est une étape essentielle pour concevoir des batteries lithium-ion de nouvelle génération avec une capacité plus élevée, cycles de vie améliorés et capacités de charge rapide, parce que les ions lithium migrent à travers les surfaces des électrodes.

Comme l'étude fournit de nouvelles directions pour la recherche d'interface, Hitosugi prévoit de collaborer avec des collègues de Tokyo Tech qui travaillent désormais sur les électrolytes à l'état solide, spécifiquement pour améliorer la compréhension de l'interface électrode-électrolyte (EEI), l'un des sujets les plus brûlants de la recherche sur les batteries.

"Beaucoup de gens s'intéressent aux batteries à semi-conducteurs, l'avenir des batteries lithium-ion, " dit-il. " Maintenant que nous connaissons l'arrangement atomique de surface de ce matériau, nous pouvons commencer à simuler le fonctionnement des batteries au lithium à semi-conducteurs."