Zupełnie przypadkowo naukowcy z Washington State University dokonali zaskakującego odkrycia. Ktoś zapomniał wyłączyć światło w laboratorium, a kryształ tytanianu strontu (SrTiO3, STO) zwiększył swoje przewodnictwo elektryczne 400-krotnie, będąc wystawionym tylko na jego działanie. Było to bardzo zdumiewające, ponieważ tytanian strontu w temperaturze pokojowej jest izolatorem. To kolejne wydarzenie, które potwierdza tezę, że rozwój nauki nie zawsze polega na żmudnych badaniach i analizach, lecz na niezwykłym zbiegu okoliczności.
Doktorant WSU – Marianne Tarun zauważyła wzrost przewodnictwa tytanianu strontu, po powrocie z jednodniowej nieobecności. Początkowo sądziła, że próbka zmieniła własności, gdyż była zanieczyszczona, jednak seria eksperymentów wykazała, że zmiana właściwości materiału nastąpiła na skutek działania światła. Gwałtownie zwiększone przewodnictwo niezabezpieczonego kryształu SrTiO3 utrzymywało się jeszcze przez kilka dni po wyłączeniu oświetlenia. Dokładne wyniki badań zostały opublikowane 30 października 2013 w czasopiśmie Physical Review Letters.
Efekt tzw. trwałego fotoprzewodnictwa (z ang. persistent photoconductivity) polega na zmianie przewodnictwa elektrycznego materiału pod wpływem promieniowania świetlnego. Dopiero podgrzanie próbki przywraca jej pierwotne właściwości. Co ważne, zwiększenie przewodnictwa tytanianu strontu nastąpiło w temperaturze pokojowej, dlatego naukowcy zastanawiają się nad praktycznymi możliwości zastosowania materiału. Ogromny spadek oporności elektrycznej obserwujemy także w stanie nadprzewodnictwa, jednak w tym wypadku jest on osiągalny jedynie w bardzo niskich temperaturach (bliskich temperatury zera bezwzględnego).
Naukowcy tłumaczą wzrost przewodnictwa obecnością defektów metastabilnych. Kolejne badania wykazały, że już dziesięciominutowe naświetlanie kryształu tytanianu strontu było wystarczające, aby efekt utrzymał się przez kilka dni. W porównaniu do właściwości materiału przed naświetleniem, zaobserwowano wzrost stężenia elektronów swobodnych o ponad 2 rzędy wielkości. Koncentracja elektronów pozostawała niemal na tym samym poziomie, mimo wyłączenia oświetlenia. Dopiero po kilku dniach, zauważono nieznaczny spadek stężenia elektronów. Wcześniejsze badania prowadzone przez inne grupy naukowców na innych materiałach z wykorzystaniem zjawiska fotoprzewodnictwa, nie dały aż tak silnego efektu.
Do tej pory tytanian strontu wykorzystywany był m.in. jako modyfikator właściwości topionego szkła. STO to także potencjalny materiał do budowy anod w ogniwach paliwowych. Wraz z odkryciem zdumiewających właściwości przewodzących naukowcy przewidują nowe zastosowania. Chcą wykorzystać efekt fotoprzewodnictwa do zapisu cyfrowych informacji. Badacze są zdania, że zjawisko pozwoli skonstruować nowy nośnik danych. Zapis miałby odbywać się w całej objętości kryształu, a nie jak obecnie w przypadku płyt DVD, czy Bluray tylko na jednej czy kilku warstwach magnetycznych. Pamięci holograficzne na bazie tytanianu strontu umożliwiłoby radykalne zwiększenie pojemności urządzeń do magazynowania danych.
Źródło:
[1] Persistent Photoconductivity in Strontium Titanate. Marianne C. Tarun, Farida A. Selim, and Matthew D. McCluskey. Phys. Rev. Lett. 111, 187403 (2013)
[2] http://news.wsu.edu/2013/11/14/accidental-discovery-dramatically-improves-electrical-conductivity/ | 19.11.2013
[3] http://www.dbc.wroc.pl/Content/4297/Placzek_Popko.pdf | 19.11.2013
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Strontium_titanate | 19.11.2013
[5] electric tower and clouds by itchys, flickr.com, CC BY 2.0