décembre 1, 2022

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La recherche ouvre la porte à une étude plus approfondie de la supraconductivité et à la création de semi-conducteurs plus efficaces

Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a découvert comment de minuscules changements structurels dans le titanate de strontium, un semi-conducteur à base d’oxyde métallique, peuvent modifier la résistance électrique du matériau et affecter ses propriétés supraconductrices.

La recherche pourrait aider à guider les expériences futures, à concevoir des matériaux pour la supraconductivité et à créer des semi-conducteurs plus efficaces pour diverses applications d’appareils électroniques.

L’étude a été publiée dans progrès scientifiqueune revue scientifique multidisciplinaire à comité de lecture publiée par l’American Association for the Advancement of Science.

Le titanate de strontium est sur le radar des scientifiques depuis 60 ans car il présente de nombreuses propriétés intéressantes. Premièrement, il devient un supraconducteur, c’est-à-dire qu’il conduit l’électricité en douceur sans résistance, à basse température et à faible concentration d’électrons. Il subit également un changement de structure à 110 K (-262 degrés Fahrenheit), ce qui signifie que les atomes de sa structure cristalline changent leur disposition. Cependant, les scientifiques débattent encore de ce qui cause exactement la supraconductivité dans ce matériau au niveau microscopique ou de ce qui se passe lorsque sa structure change.

Dans cette étude, l’équipe dirigée par l’Université du Minnesota a pu faire la lumière sur ces questions.

En utilisant une combinaison de synthèse de matériaux, d’analyse et de modélisation théorique, les chercheurs ont découvert que le changement structurel au sein du titanate de strontium affecte directement la façon dont le courant électrique circule à travers le matériau. Ils ont également révélé comment de petits changements dans les concentrations d’électrons dans le matériau affectent sa supraconductivité. Ces idées éclaireront éventuellement les recherches futures sur ce matériau, y compris la recherche sur ses propriétés supraconductrices uniques.

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« L’épine dorsale de la vie humaine dépend de la découverte de nouvelles propriétés dans les matériaux, et les scientifiques et les ingénieurs peuvent utiliser ces propriétés pour fabriquer de nouveaux appareils et technologies », a déclaré Bharat Jalan, auteur principal, professeur agrégé et président de Shell à l’Université de Minnesota Twain. Département de génie chimique et des sciences des matériaux dans les villes. « Ce que cette étude montre, c’est une relation entre la supraconductivité et la structure matérielle du titanate de strontium. Mais peut-être plus important encore, elle montre qu’une approche collaborative est essentielle pour résoudre des problèmes complexes en science et en ingénierie. »

La principale raison pour laquelle les chercheurs ont pu faire cette découverte était le fait qu’ils étaient capables de synthétiser du titanate de strontium qui était extrêmement « propre », c’est-à-dire qu’il contenait très peu d’impuretés. Pour ce faire, ils ont utilisé une technologie appelée épitaxie par faisceau moléculaire hybride (MBE) – une méthode dont le laboratoire de Gallan a été le pionnier.

Parce que le matériau était si propre, les chercheurs ont pu faire des observations inédites sur le titanate de strontium. Grâce à la modélisation théorique, les chercheurs ont pu corréler les propriétés macroscopiques observées expérimentalement avec le comportement microscopique des électrons.

Professeur de physique et d’astronomie à l’Université du Minnesota et co-auteur Rafael Fernandez, dont le groupe s’est occupé de l’aspect modélisation théorique de la recherche.

Cette recherche a été rendue possible grâce à une collaboration entre trois professeurs des villes jumelles de l’Université du Minnesota : Galan, dont le laboratoire a dirigé l’effort et a pris en charge les mesures de composition et de transport des matériaux ; Fernandez, dont le groupe a fait les calculs théoriques ; et professeur adjoint à la Faculté de physique et d’astronomie Vlad Prepage, spécialisé dans la mesure avancée des propriétés des couches minces.

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« Beaucoup de questions dans la science et l’ingénierie modernes sont si complexes qu’elles vont au-delà d’une seule discipline », a déclaré Prepage. « Avoir ces collaborations au sein d’un même collège est très utile. Vous avez besoin de tous ces composants pour résoudre de nombreux problèmes. »

En plus de Galan, Fernandez et Prepage, l’équipe de recherche comprenait des chercheurs de l’Université du Minnesota, du Département de génie chimique et des sciences des matériaux, Jin Yu (PhD ’21), Tristan Trautman (doctorant), Doyoung Lee (associé postdoctoral) et Laxman Thotham (boursier postdoctoral), PhD ); Les chercheurs en physique et astronomie de l’Université du Minnesota Yelikal Ainu (PhD ’21) et Maria Gastiasuro (boursière postdoctorale); et les chercheurs du département de physique de l’Université Bar Ilan Bena Kalesky (professeur), Elon Persky (étudiant au doctorat) et Alex Khanukov (étudiant au doctorat).

Cette recherche a été soutenue par le Département américain de l’énergie par le biais du Center for Quantum Materials de l’Université du Minnesota, du Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force, du Centre de recherche sur la science et l’ingénierie des matériaux de la National Science Foundation de l’Université du Minnesota, de l’Israel Science Foundation et QuantERA ERA-NET Joint Fund in Quantum Technologies .