应变材料制备冷却器超导体

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威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们为我们理解为什么一组叫做Ruddlesden Popper oxides的特殊材料,篡改它们的超导特性,增加了一个新的维度。

图像标题:丹麦摩根和Ryan Jacobs打开了一个新窗口,观察应变如何改变一类叫做Ruddelsden Popper oxides的材料的超导特性。

这些发现发表在《自然通讯》杂志上,有助于为新的先进电子产品铺平道路。

“应变是我们可以转动的旋钮之一,创造具有理想特性的材料,所以学会操纵它的重要性是很重要的,”美国麦迪逊分校材料科学与工程学院的Harvey D. Spangler教授和该论文的资深作者Dane Morgan说。“这些发现也有助于解释应变材料中一些令人困惑的结果。”

超导材料可以使国家电网更高效,这是因为它们能够以零电阻传导电力。这些物质还使MRI机器能够看到病人体内的东西,并且由于迈斯纳效应而使轨道上的子弹列车悬浮在轨道上。

“这项工作是一个很好的例子,说明基础研究如何通过理论和实验之间的密切相互作用,对物质行为的系统理解来影响发展中的转化技术,”能源部橡树里的杰出科学家Ho Nyung Lee说。领导这项研究的国家实验室。

大多数材料在超临界点以下称为临界温度时才变成超导体。对于由Rudels登Popcel材料薄膜La1.85 Sr0.15CuO4构成的超导体,临界温度根据薄膜生长的条件而基本上变化。

“普遍认为,应变使氧缺陷在热力学上更容易破坏材料中形成的超导性质,但我们已经表明,拉伸和压缩应变之间的氧缺陷形成的动力学时间尺度是不同的。“一个关键的机制,”摩根实验室的工作人员Ryan Jacobs和该论文的第一位作者说。

氧缺陷是重要的,因为包含在材料内的氧的量可以改变其临界温度。最明显的想法是,应变可能通过调节氧缺陷所需的能量来影响性能。

虽然这种效应确实发生了,但是橡树岭国家实验室的雅可布和他的同事们证明,应变不只是影响缺陷形成的方式,而且也影响氧进入和流出材料的速率。这些结果表明,一些最重要的应变反应可能是动力学效应变化的结果。

“认识到动力学起着关键作用,这对于你如何创造材料来说是非常重要的,”摩根说。

科学家们通过在两个不同的支撑表面上生长结晶薄膜来制造所研究的材料,其中一个表面压缩了所得到的薄膜,而另一个则伸长成拉伸应变。

引人注目的是,拉伸应变材料需要更冷的温度比压缩膜成为超导体。此外,拉伸应变导致材料失去其超导性能比压缩材料更快。

经过大量的计算,科学家得出结论,热力学效应(通过缺陷形成能)不能解释他们观察到的戏剧性结果。通过应用他们在计算模拟方面的专长和被称为密度泛函理论的计算建模方法,研究者在动力学上缩小了占主导地位的作用。

摩根说:“这是应变改变氧气如何进出这些材料的第一个窗口。”

目前,研究人员正在探索其他方法来优化Ruddlesden Popper氧化物,以用于超导基器件、燃料电池、氧传感器和电子器件,如忆阻器。他们还正在研究如何将研究结果应用到一组与钙钛矿密切相关的材料中,钙钛矿是摩根集团的一个活跃的研究领域。

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