De ontdekking vorig jaar van het eerste nikkeloxidemateriaal dat duidelijke tekenen van supergeleiding vertoont, leidde tot een race van wetenschappers over de hele wereld om meer te weten te komen. De kristalstructuur van het materiaal is vergelijkbaar met koperoxiden, of kopjes, die het wereldrecord hebben voor het geleiden van elektriciteit zonder verlies bij relatief hoge temperaturen en normale drukken. Maar gedragen zijn elektronen zich op dezelfde manier?

De antwoorden kunnen helpen bij het bevorderen van de synthese van nieuwe onconventionele supergeleiders en het gebruik ervan voor krachtoverbrenging, transport en andere toepassingen, en werpen ook licht op hoe de cuprates werken - wat na meer dan 30 jaar onderzoek nog steeds een mysterie is.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurmaterialen , een team onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University rapporteert het eerste gedetailleerde onderzoek van de elektronische structuur van supergeleidende nikkeloxiden, of nikkelaten. De wetenschappers gebruikten twee technieken, resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) en röntgenabsorptiespectroscopie (XAS), om het eerste volledige beeld te krijgen van de elektronische structuur van de nikkelaten - in feite de rangschikking en het gedrag van hun elektronen, die de eigenschappen van een materiaal bepalen.

Zowel cupraten als nikkelaten zijn dun, tweedimensionale platen die gelaagd zijn met andere elementen, zoals zeldzame-aarde-ionen. Deze dunne platen worden supergeleidend wanneer ze onder een bepaalde temperatuur worden afgekoeld en de dichtheid van hun vrij stromende elektronen wordt aangepast in een proces dat bekend staat als 'doping'.

Cuprates zijn isolatoren in hun voorgedoopte "grond" toestanden, wat betekent dat hun elektronen niet mobiel zijn. Na doping kunnen de elektronen vrij bewegen, maar ze zijn meestal beperkt tot de cuprate-lagen, reizen zelden door de tussenliggende zeldzame aardlagen om hun cuprate-buren te bereiken.

Maar in de nikkelaten, het team ontdekte, dit is niet het geval. De ongedoteerde verbinding is een metaal met vrij stromende elektronen. Verder, de tussenliggende lagen dragen daadwerkelijk elektronen bij aan de nikkelaatplaten, het creëren van een driedimensionale metaalachtige staat die heel anders is dan wat je in de cuprates ziet.

Dit is een geheel nieuw type grondtoestand voor overgangsmetaaloxiden zoals cupraten en nikkelaten, aldus de onderzoekers. Het opent nieuwe richtingen voor experimenten en theoretische studies over hoe supergeleiding ontstaat en hoe deze kan worden geoptimaliseerd in dit systeem en mogelijk in andere verbindingen.