Piëzo-elektrisch reuzeneffect gemeten bij lage temperatuur

Twee fysici verbonden aan de Universiteit van Minnesota in Minneapolis hebben in een kristal van strontiumtitanaat (SrTiO) bij extreem lage temperatuur een zeer sterk piëzo-elektrisch effect waargenomen. (Science, 18 april). Nog uitzonderlijker is dat het effect toeneemt bij dalende temperatuur.

Bij de laagst gemeten temperatuur, 1,6 graad boven het absolute nulpunt, kan het in grootte zelfs wedijveren met de beste piëzo-elektrische materialen bij kamertemperatuur.

Piëzo-eletriciteit is het verschijnsel dat sommige kristallen (zoals kwarts en toermalijn) bij indrukken of uitrekken aan de weerskanten van de eindvlakken een elektrische spanning opbouwen. Omgekeerd kan een piëzo-elektrisch kristal bij plaatsing in een elektrisch veld samentrekken of uitrekken. Het effect wordt toegepast in elektrische aanstekers, waar druk op een kwartskristal wordt gezet met als gevolg een vonk die de gasvlam ontsteekt, en ook het bliepen van polshorloges geschiedt piëzo-elektrisch. Daarnaast wordt het effect gebruikt om individuele atomen zeer precies op een oppervlak te positioneren.

Bij gewone piëzo-elektrische kristallen neemt het effect bij lagere temperaturen sterk af. De Amerikaanse onderzoekers Daniel Grupp en Allen Goldman hebben hierop nu een uitzondering gevonden: strontiumtitanaat. Uit metingen bij temperaturen van 1,6 tot 50 graden boven het absolute nulpunt bleek verder dat bij een vaste waarde van de temperatuur de strain (mechanische spanning) in het kristal bij lage spanning kwadratisch te variëren met de spanning en bij hogere spanning lineair. Bij een toenemend voltage neemt de strain niet onbeperkt toe (overeenkomend met een elastischer kristal) maar bereikt een maximum: verzadiging.

Aantrekkelijk is dat bij het piëzo-elektrische effect in strontiumtitanaat geen hysterese optreedt, wat betekent dat de strain steeds op dezelfde wijze met aangelegde elektrische spanning verloopt. Dit opent de weg naar praktische toepassingen. Gedacht wordt aan een scanning probe microscoop, waarbij een minuscule peilstift een ultra-koud atomair oppervlak aftast en in beeld brengt. Ook leent een SrTiO-kristal zich door zijn structuur als een thermometer die niet afhangt van magnetisme, wat bij lage temperaturen lastig is te realiseren.