Les ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont ajouté une nouvelle dimension à notre compréhension des raisons pour lesquelles forcer un groupe particulier de matériaux, appelés oxydes de Ruddlesden-Popper, altère leurs propriétés supraconductrices.

Les résultats, publié dans la revue Communication Nature , pourrait aider à ouvrir la voie à une nouvelle électronique de pointe.

"La contrainte est l'un des boutons que nous pouvons tourner pour créer des matériaux avec des propriétés souhaitables, il est donc important d'apprendre à manipuler ses effets, " dit Dane Morgan, le professeur Harvey D. Spangler de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison et un auteur principal de l'article. "Ces résultats pourraient également aider à expliquer certains résultats déroutants dans les matériaux tendus."

Les matériaux supraconducteurs pourraient rendre le réseau électrique du pays beaucoup plus efficace, grâce à leur capacité à conduire l'électricité avec une résistance nulle. Les substances permettent également aux appareils d'IRM de voir à l'intérieur du corps des patients et de faire léviter des trains à grande vitesse au-dessus des voies en raison de l'effet Meissner.

"Ce travail est un bon exemple de la façon dont la recherche fondamentale peut influencer le développement de technologies transformatrices grâce à une compréhension systématique des comportements des matériaux par une interaction étroite entre la théorie et l'expérience, " dit Ho Nyung Lee, un scientifique distingué du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie qui a dirigé la recherche.

La plupart des matériaux ne deviennent supraconducteurs que lorsqu'ils sont très froids, en dessous d'un point spécifique appelé température critique. Pour les supraconducteurs composés de couches minces du matériau Ruddlesden-Popper La1.85Sr0.15CuO4, cette température critique varie sensiblement en fonction des conditions dans lesquelles les films ont été développés.

"L'opinion dominante a été que la contrainte rend thermodynamiquement plus facile pour les défauts d'oxygène qui détruisent les propriétés supraconductrices de se former dans le matériau, mais nous avons montré que les différences dans les échelles de temps cinétiques de la formation de défauts d'oxygène entre la déformation en traction et en compression est un mécanisme clé, " dit Ryan Jacobs, un scientifique du laboratoire de Morgan et un co-premier auteur de l'article.

Les défauts d'oxygène sont importants car la quantité d'oxygène contenue dans un matériau peut modifier sa température critique. L'idée la plus évidente était que la contrainte pourrait avoir un impact sur les propriétés en ajustant la quantité d'énergie nécessaire pour que les défauts d'oxygène apparaissent.

Bien que cet effet se produise, Jacobs et ses collègues du Oak Ridge National Laboratory ont démontré que la contrainte n'affecte pas seulement la facilité avec laquelle les défauts se forment, mais aussi la vitesse à laquelle l'oxygène entre et sort du matériau. Ces résultats suggèrent que certaines des réponses de contrainte les plus importantes peuvent être le résultat de changements dans les effets cinétiques.

"Reconnaître que la cinétique joue un rôle clé est très important pour la façon dont vous créez le matériau, " dit Morgane.

Les scientifiques ont créé les matériaux qu'ils ont étudiés en faisant croître des films minces cristallins sur deux surfaces de support différentes - l'une a comprimé les films minces résultants tandis que l'autre les a étirés pour provoquer une contrainte de traction.

Étonnamment, les matériaux soumis à des contraintes de traction avaient besoin de températures beaucoup plus froides que les films compressés pour devenir des supraconducteurs. En outre, la contrainte de traction a fait perdre aux matériaux leurs propriétés supraconductrices plus rapidement que les matériaux comprimés.

Après de longs calculs, les scientifiques ont conclu que les effets thermodynamiques (via l'énergie de formation de défauts) ne pouvaient à eux seuls expliquer les résultats spectaculaires qu'ils ont observés. En appliquant leur expertise en simulation informatique et la méthode de modélisation informatique connue sous le nom de théorie fonctionnelle de la densité, les chercheurs se sont concentrés sur la cinétique comme jouant un rôle dominant.

"C'est la première fenêtre sur la contrainte modifiant la façon dont l'oxygène entre et sort de ces matériaux, " dit Morgane.

Actuellement, les chercheurs explorent d'autres méthodes pour optimiser les oxydes de Ruddlesden-Popper en vue d'une éventuelle utilisation dans des dispositifs à base de supraconducteurs, réservoirs de carburant, les capteurs d'oxygène et les appareils électroniques tels que les memristors. Ils étudient également comment les résultats pourraient être appliqués à un groupe de matériaux étroitement liés appelés pérovskites, qui sont un domaine de recherche actif pour le groupe Morgan.

Le document a également été présenté comme un Communication Nature Point culminant de l'éditeur.