De jacht op hoge-temperatuur-supergeleiders zou kunnen worden geholpen door berekeningen van RIKEN-natuurkundigen die het gedrag van elektronen in een nikkeloxide-materiaal hebben onthuld.

Supergeleiders kunnen een elektrische stroom voeren zonder weerstand, en worden gebruikt om krachtige elektromagneten of gevoelige instrumenten te maken voor het meten van magnetische velden.

Conventionele supergeleiding is afhankelijk van een vorm van elektronenparen die alleen bij extreem lage temperaturen plaatsvindt, dus supergeleidende apparaten moeten worden gekoeld met dure vloeibaar gemaakte gassen. Maar ongeveer 30 jaar geleden, onderzoekers ontdekten dat sommige cupraatmaterialen supergeleiders kunnen worden bij relatief warme temperaturen, tot −140 graden Celsius. De onderliggende oorzaak van deze supergeleiding bij hoge temperaturen is nog steeds niet begrepen.

in 2019, onderzoekers ontdekten dat een met strontium gedoteerd neodymium-nikkeloxide (Nd _0,8 sr _0.2 NiO ₂ ) kan supergeleiden onder -258 graden Celsius. De ontdekking trok de aandacht, niet vanwege de temperatuur, maar omdat dit nikkelaat materiaal een zeer gelijkaardige kristalstructuur heeft als de cupraten, en kan dienen als een testbed om beter te begrijpen hoe supergeleiding in deze materialen werkt.

Het nikkelaat materiaal bestaat uit afwisselende lagen Nd en NiO ₂ . Yusuke Nomura van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega's hebben nu onderzocht hoe de interacties tussen bepaalde elektronen in deze twee lagen de supergeleiding kunnen beïnvloeden.

De berekeningen van het team toonden aan dat de elektronen in de NiO ₂ laag sterk met elkaar in wisselwerking, wat vergelijkbaar is met cuprates waar de sterke correlatie in de CuO ₂ laag wordt verondersteld een sleutelrol te spelen in hun supergeleiding bij hoge temperaturen. Echter, er is een verschil tussen de nikkelaten en de cupraten:in de nikkelaten, elektronen in de neodymiumlaag zijn gedeeltelijk bezet en vormen de Fermi-pocket, een relatief klein gebied in de Brillouin-zone omringd door het Fermi-oppervlak. Deze zakken verschijnen niet in cuprates, wat het nikkelaat een onvolmaakt analoog voor cuprates kan maken.

Het team van Nomura gebruikte computermodellen om te onderzoeken of de pockets konden worden geëlimineerd door de chemische samenstelling van het materiaal aan te passen en zo een nikkelaat te creëren dat beter past bij de cuprates. Ze ontdekten dat twee verbindingen in aanmerking zouden kunnen komen:natriumneodymium-nikkeloxide (NaNd ₂ NiO ₄ ) en natriumcalcium-nikkeloxide (NaCa ₂ NiO ₃ ). "Als de voorgestelde nikkelaten worden gesynthetiseerd, het zullen echte nikkel-analogen zijn van cuprate-supergeleiders, ' merkt Nomura op.

"De volgende fase is om het verschil en de overeenkomst tussen de nikkelaten en cuprates op een meer systematische manier te verduidelijken, en dieper inzicht krijgen in het supergeleidende mechanisme in beide systemen, " hij voegt toe.