Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben het eerste nikkeloxidemateriaal gemaakt dat duidelijke tekenen van supergeleiding vertoont:het vermogen om elektrische stroom zonder verlies door te geven.

Ook bekend als nikkelaat, het is de eerste in een potentiële nieuwe familie van onconventionele supergeleiders die erg lijkt op de koperoxiden, of kopjes, wiens ontdekking in 1986 de hoop wekte dat supergeleiders op een dag bij bijna kamertemperatuur zouden kunnen werken en een revolutie teweeg zouden brengen in elektronische apparaten, krachtoverbrenging en andere technologieën. Die overeenkomsten zorgen ervoor dat wetenschappers zich afvragen of nikkelaten ook bij relatief hoge temperaturen supergeleidend kunnen zijn.

Tegelijkertijd, het nieuwe materiaal lijkt op fundamentele manieren te verschillen van de cuprates, bijvoorbeeld het bevat misschien niet een soort magnetisme dat alle supergeleidende cuprates hebben - en dit zou leidende theorieën over hoe deze onconventionele supergeleiders werken omver kunnen werpen. Na meer dan drie decennia van onderzoek, niemand heeft dat vastgelegd.

De experimenten werden geleid door Danfeng Li, een postdoctoraal onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC, en vandaag beschreven in Natuur .

"Dit is een zeer belangrijke ontdekking die ons dwingt om de details van de elektronische structuur en mogelijke mechanismen van supergeleiding in deze materialen te heroverwegen, " zei George Sawatzky, een professor in de natuurkunde en scheikunde aan de Universiteit van British Columbia die niet betrokken was bij het onderzoek, maar een commentaar schreef bij het artikel in Natuur . "Dit zal ervoor zorgen dat heel veel mensen deze nieuwe klasse materialen gaan onderzoeken, en allerlei experimenteel en theoretisch werk zal worden gedaan."

Een moeilijk pad

Sinds de ontdekking van de cuprate-supergeleiders, wetenschappers hebben gedroomd van het maken van soortgelijke oxidematerialen op basis van nikkel, dat is direct naast koper op het periodiek systeem der elementen.

Maar het maken van nikkelaten met een atomaire structuur die bevorderlijk is voor supergeleiding bleek onverwacht moeilijk.

"Zo ver we weten, het nikkelaat dat we probeerden te maken is niet stabiel bij de zeer hoge temperaturen - ongeveer 600 graden Celsius - waar deze materialen normaal worden gekweekt, "Zei Li. "Dus we moesten beginnen met iets dat we stabiel kunnen laten groeien bij hoge temperaturen en het vervolgens bij lagere temperaturen transformeren in de vorm die we wilden."

Hij begon met een perovskiet - een materiaal dat wordt bepaald door zijn unieke, atomaire structuur met dubbele piramide - die neodymium bevatte, nikkel en zuurstof. Daarna doopte hij de perovskiet door strontium toe te voegen; dit is een veelvoorkomend proces waarbij chemicaliën aan een materiaal worden toegevoegd om meer elektronen vrij te laten stromen.

Dit stal elektronen weg van nikkelatomen, het verlaten van lege "gaten, " en de nikkelatomen waren er niet blij mee, zei Li. Het materiaal was nu instabiel, het maken van de volgende stap - een dunne film ervan op een oppervlak laten groeien - echt uitdagend; het kostte hem een ​​half jaar om het werkend te krijgen.

'Jenga-chemie'

Toen dat eenmaal gedaan was, Li sneed de film in kleine stukjes, wikkelde het losjes in aluminiumfolie en verzegelde het in een reageerbuis met een chemische stof die netjes een laag van zijn zuurstofatomen wegrukte - net zoals het verwijderen van een stok uit een wiebelige toren van Jenga-blokken. Hierdoor veranderde de film in een geheel nieuwe atomaire structuur - een met strontium gedoteerd nikkelaat.

"Elk van deze stappen was eerder gedemonstreerd, "Li zei, "maar niet in deze combinatie."

Hij herinnert zich het exacte moment in het laboratorium, rond 2 uur, toen uit tests bleek dat het gedoteerde nikkelaat supergeleidend zou kunnen zijn. Li was zo opgewonden dat hij de hele nacht opbleef, en 's ochtends coöpteerde hij de reguliere vergadering van zijn onderzoeksgroep om hen te laten zien wat hij had gevonden. Spoedig, veel van de groepsleden sloten zich bij hem aan in een 24-uurs poging om dit materiaal te verbeteren en te bestuderen.

Verdere tests zouden uitwijzen dat het nikkelaat inderdaad supergeleidend was in een temperatuurbereik van 9-15 kelvin - ongelooflijk koud, maar een eerste begin met de mogelijkheid van hogere temperaturen in het verschiet.

Meer werk voor de boeg

Onderzoek naar het nieuwe materiaal is in een "zeer, zeer vroeg stadium, en er is veel werk voor de boeg, " waarschuwde Harold Hwang, een SIMES-onderzoeker, professor aan SLAC en Stanford en senior auteur van het rapport. "We hebben zojuist de eerste basisexperimenten gezien, en nu moeten we de hele reeks onderzoeken doen die nog steeds gaande zijn met cuprates."

Onder andere, hij zei, wetenschappers zullen het nikkelaatmateriaal op verschillende manieren willen doteren om te zien hoe dit de supergeleiding beïnvloedt bij een reeks temperaturen, en bepalen of andere nikkelaten supergeleidend kunnen worden. Andere studies zullen de magnetische structuur van het materiaal en zijn relatie tot supergeleiding onderzoeken.