Plastična deformacija kvantnog materijala

U časopisu Nature Materials doc. dr. sc. Damjan Pelc je u suradnji sa znanstvenicima sa Sveučilišta u Minnesoti, Argonne National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory (SAD), Sveučilišta Ariel (Izrael), Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu te Peking University (Kina) objavio rad pod naslovom ‘Enhanced superconductivity and ferroelectric quantum criticality in plastically deformed strontium titanate’.

U radu je po prvi puta istražen utjecaj ireverzibilne, plastične deformacije na elektronska svojstva nekog kvantnog materijala. Do plastične deformacije dolazi po utjecajem vanjske sile, kad materijal izađe iz elastičnog režima. No da bi došlo do plastične deformacije, nužno je stvoriti nesavršenosti u kristalnoj rešetci – dislokacije – koje se prilikom naprezanja mogu gibati kroz materijal i dovesti do nepovratne promjene oblika. U blizini dislokacija je kristalna struktura značajno promijenjena, te postoje lokalna naprezanja koja mogu dramatično utjecati na elektronska svojstva. Elastična deformacija se intenzivno koristi u istraživanjima kvantnih materijala, no efekti plastične deformacije su gotovo potpuno nepoznati.

 Ovdje je kao modelni sustav upotrijebljen stroncijev titanat (SrTiO3): nekonvencionalni supravodič s jakim feroelektričnim fluktuacijama i izraženim plastičnim režimom. Korišten je širok spektar eksperimentalnih tehnika – specijalno razvijene tlačne ćelije, raspršenje neutrona i X-zraka, Ramanovo raspršenje, te mjerenja transportnih i magnetskih svojstava – za istraživanje ponašanja dislokacija u deformiranom stroncijevom titanatu, te njihovog utjecaja na supravodljivost. Sofisticiranim mjerenjima difuznog raspršenja neutrona ustanovljeno je da se dislokacije tijekom deformacije spontano organiziraju u veće, pravilne strukture, poznate kao dislokacijski zidovi (slika). U blizini zidova se javljaju snažne kvantno-kritične feroelektrične fluktuacije, te se pojačava supravodljivost u odnosu na nedeformirane uzorke. Izmjereno je povećanje temperature supravodljivog prijelaza za otprilike faktor 2 u deformiranim kristalima, te tragovi supravodljivog uređenja na još mnogo višim temperaturama. Eksperimentalni rezultati su također uspoređeni s teorijskim modeliranjem, koje je povezalo pojavu feroelektričnih fluktuacija i pojačavanje supravodljivosti. Zaključci i metodologija su relevantni za širok spektar materijala, uključujući druge supravodiče, te magnetske i feroelektrične materijale.

Slika: Ireverzibilna, plastična deformacija stroncijevog titanata dovodi do organizacije kristalnih nesavršenosti – dislokacija – u periodične strukture (shematski prikaz desno), otkrivene u eksperimentima neutronskog raspršenja (lijevo). Te strukture snažno utječu na elektronska svojstva, uzrokujući pojavu kvantno-kritičnih feroelektričnih fluktuacija i povećanje temperature supravodljivog prijelaza.

Publikacija

S. Hameed et al., Enhanced superconductivity and ferroelectric quantum criticality in plastically deformed strontium titanate, Nature Materials (2021), https://www.nature.com/articles/s41563-021-01102-3 

Rad je dostupan i na arxiv preprint serveru: https://arxiv.org/abs/2005.00514