Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een nikkeloxideverbinding geïdentificeerd als een onconventioneel maar veelbelovend kandidaatmateriaal voor supergeleiding bij hoge temperaturen.

Het team heeft met succes eenkristallen gesynthetiseerd van een metallische drielaagse nikkelaatverbinding, een prestatie die volgens de onderzoekers een primeur is.

"Het is klaar voor supergeleiding op een manier die niet wordt gevonden in andere nikkeloxiden. We hebben goede hoop dat we nu alleen nog de juiste elektronenconcentratie hoeven te vinden."

Deze nikkeloxideverbinding is niet supergeleidend, zei John Mitchell, een Argonne Distinguished Fellow en associate director van de Materials Science Division van het laboratorium, die het project leidde, die kristalgroei combineerden, Röntgenspectroscopie, en rekentheorie. Maar, hij voegde toe, "Het is klaar voor supergeleiding op een manier die niet wordt gevonden in andere nikkeloxiden. We hebben goede hoop dat we nu alleen nog de juiste elektronenconcentratie hoeven te vinden."

Mitchell en zeven co-auteurs maakten hun resultaten bekend in de uitgave van deze week van Natuurfysica .

Supergeleidende materialen zijn technologisch belangrijk omdat er zonder weerstand elektriciteit doorheen stroomt. Hoge temperatuur supergeleiders kunnen leiden tot snellere, efficiëntere elektronische apparaten, roosters die stroom kunnen overbrengen zonder energieverlies en ultrasnelle zwevende treinen die wrijvingsloze magneten in plaats van rails rijden.

Vóór 1986 leek alleen supergeleiding bij lage temperatuur mogelijk, maar materialen die bij lage temperaturen supergeleiden zijn onpraktisch omdat ze eerst tot honderden graden onder nul gekoeld moeten worden. In 1986, echter, ontdekking van supergeleiding bij hoge temperatuur in koperoxideverbindingen, cuprates genaamd, veroorzaakte een nieuw technologisch potentieel voor het fenomeen.

Maar na drie decennia van daaropvolgend onderzoek, precies hoe cuprate-supergeleiding werkt, blijft een bepalend probleem in het veld. Een manier om dit probleem op te lossen, was het bestuderen van verbindingen met vergelijkbare kristallen, magnetische en elektronische structuren naar de cuprates.

Op nikkel gebaseerde oxiden - nikkelaten - worden lang beschouwd als potentiële cuprate-analogen omdat het element direct naast koper in het periodiek systeem zit. Zo ver, Mitchell merkte op, "Dat is een mislukte zoektocht geweest." Zoals hij en zijn co-auteurs opmerkten in hun Natuurfysica papier, "Geen van deze analogen is supergeleidend geweest, en weinigen zijn zelfs van metaal."

Het nikkelaat dat het Argonne-team heeft gemaakt, is een quasi-tweedimensionale drielaagse verbinding, wat betekent dat het bestaat uit drie lagen nikkeloxide die worden gescheiden door afstandslagen van praseodymiumoxide.

"Zo lijkt het meer tweedimensionaal dan driedimensionaal, structureel en elektronisch, ' zei Mitchel.

Dit nikkelaat en een verbinding die lanthaan bevat in plaats van praseodymium, delen beide de quasi-tweedimensionale drielaagse structuur. Maar de lanthaan-analoog is niet-metaalachtig en neemt een zogenaamde "ladingsstreep" -fase aan, een elektronische eigenschap die het materiaal een isolator maakt, het tegenovergestelde van een supergeleider.

"Om een ​​nog onbekende reden het praseodymium-systeem vormt deze strepen niet, "Zei Mitchell. "Het blijft metaalachtig en is dus zeker de meest waarschijnlijke kandidaat voor supergeleiding."

Argonne is een van de weinige laboratoria ter wereld waar de verbinding zou kunnen worden gemaakt. De hogedruk-oven met optische afbeelding met zwevende zone van de Materials Science Division heeft speciale mogelijkheden. Het kan een druk bereiken van 150 atmosfeer (equivalent aan de verpletterende druk die wordt aangetroffen op oceanische diepten van bijna 5, 000 voet) en temperaturen van ongeveer 2, 000 graden Celsius (meer dan 3, 600 graden Fahrenheit), omstandigheden die nodig zijn om de kristallen te laten groeien.

"We wisten niet zeker of we deze materialen konden maken, " zei Argonne postdoctoraal onderzoeker Junjie Zhang, de eerste auteur van het onderzoek. Maar inderdaad, ze slaagden erin om de kristallen te laten groeien met een diameter van enkele millimeters (een kleine fractie van een inch).

Het onderzoeksteam heeft geverifieerd dat de elektronische structuur van het nikkelaat lijkt op die van cupratematerialen door röntgenabsorptiespectroscopiemetingen te doen bij de Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en door berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie uit te voeren. Materiaalwetenschappers gebruiken dichtheidsfunctionaaltheorie om de elektronische eigenschappen van systemen van gecondenseerde materie te onderzoeken.

"Ik heb mijn hele carrière geen supergeleiders voor hoge temperaturen gemaakt, ' grapte Mitchell. Maar dat zou kunnen veranderen in de volgende fase van het onderzoek van zijn team:een poging om supergeleiding in hun nikkelaatmateriaal te induceren met behulp van een chemisch proces dat elektronendoping wordt genoemd, waarin onzuiverheden opzettelijk aan een materiaal worden toegevoegd om de eigenschappen ervan te beïnvloeden.