Le titanate du strontium a été utilisé autrefois comme substitut de diamant dans les bijoux avant que des alternatives moins fragiles n'apparaissent dans les années 1970. Maintenant, les chercheurs ont exploré certaines de ses propriétés les plus inhabituelles, qui pourraient un jour être utiles dans les matériaux quantiques et les applications de microélectronique.
Écriture dans le journal Communications de la naturel'équipe explique comment ils ont construit une membrane de titanate de strontium extrêmement mince et flexible et l'ont étirée, en tournant ce qui est connu comme un état ferroélectrique. Dans cet état, le matériau génère son propre champ électrique, quelque peu similaire à la façon dont un aimant permanent génère son propre champ magnétique.
« Nous avons appliqué une souche pour régler la membrane à un état ferroélectrique ou non ferroélectrique de manière réversible et répétée », a déclaré Wei-Seng Lee, scientifique principal du Laboratoire national d'accélérateur du SLAC du ministère de l'Énergie et un chercheur principal de l'Institut de Stanford pour les matériaux et les sciences de l'énergie (SIMES), un Institut conjoint SLAC-Sanford. « Cela a permis des caractérisations quantitatives de cette transition dans le titanate de strontium avec des détails sans précédent. »
L'étirement d'un matériau modifie les distances entre ses atomes, ce qui peut modifier ses propriétés physiques, y compris celles électriques. Dans le titanate de strontium matériel quantique, cela sépare l'oxygène chargé négativement et les ions de titane chargés positivement dans le matériau, créant un champ électrique et le mettant dans un état ferroélectrique.
La capacité d'allumer la ferroélectricité dans ce matériau – ainsi que la supraconductivité grâce à l'ajout d'impuretés et à son emploi étendu dans les hétérostructures des matériaux quantiques – permet au strontium de titanate prometteur pour les applications dans l'informatique de nouvelle génération, le stockage de données et les appareils superconducteurs.
Cependant, la nature de cette transition ferroélectrique n'est pas bien comprise, donc l'équipe a utilisé des rayons X pour suivre la disposition des ions et le champ électrique dans le titanate de strontium lorsqu'il a été étiré à l'état ferroélectrique. Même alors, ils ont fait face à un défi: le titanate de strontium est un cristal cassant à température ambiante – l'une des raisons pour lesquelles elle n'a pas fonctionné comme substitut de diamant. Dans les travaux antérieurs, les échantillons de titanate de strontium ne pouvaient supporter qu'une quantité limitée de tronçon avant de se casser, ce qui a gêné leur étude.
Heureusement, une méthode développée dans le laboratoire de Harold Hwang, directrice de Simes et professeur à Stanford et SLAC, produit des membranes flexibles minces de matériaux quantiques. Ces membranes, qui n'ont que quelques nanomètres d'épaisseur, peuvent être décollées de la surface sur lesquelles ils ont été cultivés à l'origine et étirés sans se casser. L'équipe de recherche a profité de cette technique pour fabriquer une membrane titanate de strontium extensible.
« Notre objectif était d'essayer de mettre en œuvre ces membranes dans un réglage des rayons X et d'appliquer une contrainte », a déclaré Yonghun Lee, un doctorat. Étudiant à Stanford. Le conjoint postdoctoral de Lee et SLAC, Jiarui Li, a développé un protocole expérimental pour transférer ces membranes sur des feuilles de plastique souples et les attacher aux appareils utilisés pour administrer et mesurer la contrainte à la source de photons avancée (APS) au Laboratoire national d'Argonne. Les rayons X des AP ont révélé comment la structure électronique de la membrane a changé car elle était étirée sous une gamme de températures.
À des températures plus proches de la température ambiante, la transition vers un état ferroélectrique dans le titanate de strontium présente des fluctuations thermiques, la marque de marque d'une transition de phase classique. Mais à des températures cryogéniques, à plus de quelques centaines de degrés en dessous de zéro degrés Fahrenheit, les fluctuations thermiques deviennent négligeables, suggérant que la transition se déplace vers un territoire quantique.
Ce croisement quantique peut être la raison pour laquelle le titanate de strontium ne devient pas ferroélectrique à des températures cryogéniques sans être étirée. Lorsqu'un système pénètre dans le régime quantique, une commutation erratique entre des états énergétiquement similaires – connus sous le nom de fluctuations quantiques – se présente.
Ces torchons quantiques dans la structure électronique empêchent le titanate du strontium de se réorganiser dans l'ordre ferroélectrique. L'étirement du matériau supprime les fluctuations quantiques, permettant au matériau de devenir ferroélectrique, mais d'une manière différente de la transition de phase classique.
« Nos résultats suggèrent que ces fluctuations quantiques jouent un rôle à des températures plus basses lorsque l'effet quantique est plus prédominant que l'effet classique dans la transition », a déclaré Li.
Ensuite, les chercheurs utiliseront ce protocole expérimental pour étudier les transitions tendues dans d'autres matériaux quantiques. Une meilleure compréhension de cette transition pourrait aider à adapter le titanate de strontium et d'autres matériaux quantiques pour différentes applications, telles que les commutateurs microélectromécaniques.
