Vorige zomer, een nieuw tijdperk voor supergeleiding bij hoge temperaturen werd uitgeroepen - het nikkeltijdperk. Er werd ontdekt dat er veelbelovende supergeleiders zijn in een speciale klasse van materialen, de zogenaamde nikkelaten, die elektrische stroom kan geleiden zonder enige weerstand, zelfs bij hoge temperaturen.

Echter, Al snel bleek dat deze aanvankelijk spectaculaire resultaten van Stanford niet door andere onderzoeksgroepen konden worden gereproduceerd. De TU Wien (Wenen) heeft daar nu de reden voor gevonden:In sommige nikkelaten worden extra waterstofatomen in de materiaalstructuur ingebouwd. Hierdoor verandert het elektrische gedrag van het materiaal volledig. Bij de productie van de nieuwe supergeleiders, met dit effect moet nu rekening worden gehouden.

De zoektocht naar hoge temperatuur supergeleiders

Sommige materialen zijn alleen supergeleidend in de buurt van de absolute temperatuur nul - dergelijke supergeleiders zijn niet geschikt voor technische toepassingen. Daarom, al decenia, mensen zijn op zoek geweest naar materialen die zelfs bij hogere temperaturen supergeleidend blijven. In 1980, "hoge temperatuur supergeleiders" werden ontdekt. Wat in dit verband "hoge temperaturen" wordt genoemd, echter, is nog steeds erg koud:zelfs hoge-temperatuur-supergeleiders moeten sterk worden gekoeld om hun supergeleidende eigenschappen te verkrijgen. Daarom, de zoektocht naar nieuwe supergeleiders bij nog hogere temperaturen gaat door.

"Voor een lange tijd, speciale aandacht werd besteed aan de zogenaamde cuprates, d.w.z. verbindingen die koper bevatten. Daarom spreken we ook van het kopertijdperk", legt prof. Karsten Held van het Institute of Solid State Physics van de TU Wien uit. "Met deze kopjes, enige belangrijke vooruitgang is geboekt, hoewel er nog steeds veel open vragen zijn in de theorie van supergeleiding bij hoge temperaturen vandaag".

Maar sinds enige tijd ook andere mogelijkheden zijn overwogen. Er was al een zogenaamde "ijzertijd" op basis van ijzerhoudende supergeleiders. In de zomer van 2019, de onderzoeksgroep van de onderzoeksgroep van Harold Y. Hwang uit Stanford slaagde er vervolgens in om supergeleiding bij hoge temperatuur in nikkelaten aan te tonen. "Op basis van onze berekeningen we hebben nikkelaten 10 jaar geleden al voorgesteld als supergeleiders, maar ze waren iets anders dan degene die nu zijn ontdekt. Ze zijn gerelateerd aan cuprates, maar nikkel bevatten in plaats van koperatomen, ', zegt Karsten Held.

Het probleem met waterstof

Na enig aanvankelijk enthousiasme, echter, de afgelopen maanden is duidelijk geworden dat nikkelaatsupergeleiders moeilijker te produceren zijn dan aanvankelijk werd gedacht. Andere onderzoeksgroepen meldden dat hun nikkelaten geen supergeleidende eigenschappen hebben. Deze schijnbare tegenstrijdigheid is nu aan de TU Wien opgehelderd.

"We analyseerden de nikkelaten met behulp van supercomputers en ontdekten dat ze extreem ontvankelijk zijn voor waterstof in het materiaal, " meldt Liang Si (TU Wenen). Bij de synthese van bepaalde nikkelaten, waterstofatomen kunnen worden opgenomen, die de elektronische eigenschappen van het materiaal volledig verandert. "Echter, dit gebeurt niet bij alle nikkelaten, " zegt Liang Si, "Onze berekeningen laten zien dat voor de meeste van hen, het is energetisch gunstiger om waterstof op te nemen, maar niet voor de nikkelaten van Stanford. Zelfs kleine veranderingen in de synthesecondities kunnen een verschil maken." Afgelopen vrijdag kon de groep rond Ariando Ariando van de NUS Singapore melden dat ze er ook in zijn geslaagd supergeleidende nikkelaten te produceren. Ze laten de waterstof die vrijkomt bij het productieproces direct ontsnappen.

De kritische temperatuur berekenen met supercomputers

Aan de TU Wien worden nieuwe computerberekeningsmethoden ontwikkeld en gebruikt om de eigenschappen van nikkelaten te begrijpen en te voorspellen. “Omdat hier altijd een groot aantal kwantumfysische deeltjes tegelijk een rol spelen, de berekeningen zijn uiterst complex, " zegt Liang Si, "Maar door verschillende methoden te combineren, we kunnen nu zelfs inschatten tot welke kritische temperatuur de verschillende materialen supergeleidend zijn. Dergelijke betrouwbare berekeningen waren niet eerder mogelijk." het team van de TU Wien was in staat om het toegestane bereik van strontiumconcentratie te berekenen waarvoor de nikkelaten supergeleidend zijn - en deze voorspelling is nu bevestigd in een experiment.

"Supergeleiding bij hoge temperaturen is een uiterst complex en moeilijk onderzoeksgebied, " zegt Karsten Held. "De nieuwe nikkelaat supergeleiders, samen met ons theoretisch inzicht en de voorspellende kracht van computerberekeningen, opent een geheel nieuw perspectief op de grote droom van de vastestoffysica:een supergeleider bij omgevingstemperatuur die dus werkt zonder enige koeling."