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


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  • Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a découvert comment des changements structurels subtils 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 peut aider à guider les futures expériences et la conception de matériaux liés à la supraconductivité et à la création de semi-conducteurs plus efficaces pour diverses applications d’appareils électroniques.

    L’étude est publiée dans Avancées scientifiquesune 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. D’une part, 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 Kelvin (-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 connaissances éclaireront en fin de compte les recherches futures sur ce matériau, y compris la recherche sur ses propriétés supraconductrices uniques.

    « L’épine dorsale de la vie humaine repose sur 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 et professeur agrégé et titulaire de la chaire Shell à l’Université du Minnesota Twin Département des villes de génie chimique et des sciences des matériaux. « Ce que cette étude montre, c’est un lien 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. »

    L’une des principales raisons pour lesquelles les chercheurs ont pu faire cette découverte était le fait qu’ils étaient capables de synthétiser un matériau de titanate de strontium extrêmement « propre », c’est-à-dire qu’il contenait très peu d’impuretés. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire hybride (MBE) – une approche dont le laboratoire de Jalan a été le pionnier.

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

    « La réponse observée des propriétés supraconductrices à de petits changements dans la densité des électrons fournit de nouvelles pièces dans le puzzle en cours de la supraconductivité dans le titanate de strontium », a déclaré le professeur de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota et auteur collaborateur Rafael Fernandes, dont le groupe a géré le l’aspect modélisation théorique de la recherche.

    Cette recherche a été rendue possible grâce à une collaboration entre trois membres du corps professoral des villes jumelles de l’Université du Minnesota : Jalan, dont le laboratoire a dirigé l’effort et géré la synthèse des matériaux et les mesures de transport ; Fernandes, dont le groupe a effectué les calculs théoriques ; et Vlad Pribiag, professeur agrégé à l’École de physique et d’astronomie, spécialisé dans la mesure avancée des propriétés des couches minces.

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

    En plus de Jalan, Fernandes et Pribiag, l’équipe de recherche comprenait des chercheurs du Département de génie chimique et des sciences des matériaux de l’Université du Minnesota, Jin Yue (Ph.D. ’21), Tristan Truttmann (étudiant au doctorat), Dooyong Lee (postdoctorant associé), et Laxman Thoutam (stagiaire postdoctoral) ; les chercheurs de l’École de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota, Yilikal Ayino (Ph.D. ’21) et Maria Gastiasoro (associée postdoctorale); et les chercheurs du département de physique de l’Université Bar-Ilan Beena Kalisky (professeur), Eylon 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 National Science Foundation Materials Science and Engineering Research Center de l’Université du Minnesota, de la Fondation scientifique israélienne et le cofonds QuantERA ERA-NET dans les technologies quantiques.

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