NUS-natuurkundigen hebben een methode ontwikkeld om de overgang van een zeldzame aardmetalen nikkelaat van hun oorspronkelijke perovskietvorm naar oneindige laagstructuren te induceren. Hierdoor konden ze een compleet fasediagram maken van deze nikkelaat supergeleider.

Een supergeleider is een materiaalsysteem dat elektrische stroom zonder weerstand kan geleiden wanneer het kouder wordt dan een "kritische temperatuur, " bekend als de supergeleidende overgangstemperatuur T _C . Conventionele supergeleiders hebben meestal een T _C lager dan de limiet van ongeveer 30 K (268 graden onder kamertemperatuur) voorspeld op basis van de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie. Dit beperkt het gebruik van supergeleidende apparaten in ons dagelijks leven. Al decenia, onderzoekers hebben geprobeerd deze T . te pushen _C hoger door nieuwe materialen te synthetiseren. Het is ook belangrijk om het fysieke mechanisme te begrijpen. De zogenaamde supergeleiding bij hoge temperatuur in verbindingen die koperoxidelagen bevatten (bekend als de cupraten), met T _C boven de BCS-grens en vervolgens boven het kookpunt van vloeibare stikstof (77 K), werd eind jaren '80 ontdekt. Sindsdien is de T _C stagneert en hoewel er belangrijke onderzoeksresultaten zijn geboekt, de oorsprong en het mechanisme van de hoge T _C supergeleiding is nog steeds een mysterie. Een nieuwe supergeleidende familie met een vergelijkbare kristal- en elektronische structuur als de cuprate is een van de paden in de zoektocht naar potentieel hogere T _C materialen en om het onderliggende mechanisme van hoge T . te begrijpen _C supergeleiding.

Onlangs, onderzoekers hebben de aanwezigheid van supergeleiding ontdekt in nikkelaatverbindingen van zeldzame aardmetalen, een analoog van de cuprate. Het bestuderen van deze cuprate-analoog kan mogelijk leiden tot een beter begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen, en de mogelijkheid om te voorspellen, ontwerp en synthetiseer hogere T _C supergeleiders. Echter, het werd duidelijk dat nikkel-supergeleiders moeilijker te produceren zijn dan aanvankelijk werd gedacht. Negen maanden na deze ontdekking, een onderzoeksteam onder leiding van Prof ARIANDO van het Departement Natuurkunde, NUS, werd de eerste groep die dit resultaat reproduceerde. Belangrijker, ze hebben met succes het fasediagram van de nikkelaat supergeleider ontwikkeld.

Om dit te behalen, De groep van prof. ARIANDO ontwikkelde een topotactische reductietechniek om dunne films van zeldzame aardnikkelaat (NdNiO ₂ ) van zijn gebruikelijke perovskiet-kristallijne vorm naar een nieuwe gedoteerde structurele vorm, zogenaamde oneindige laagstructuren. In dit materiaal, supergeleiding ontstaat wanneer de nikkelverbinding is gedoteerd met strontium (Sr) onzuiverheden en het bestaat in zijn structurele vorm met oneindige lagen. Dankzij de techniek kon het onderzoeksteam de supergeleiding bestuderen als een functie van doping. Ze construeerden het fasediagram voor dit materiële systeem, en vond de aanwezigheid van een supergeleidend koepelgebied (dopingafhankelijke T _C ) en zwak isolerend regime aan de zijkant van de koepel (zie afbeelding).

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten een gepulste laserdepositietechniek om Sr-gedoteerde nikkelaat Nd . te synthetiseren _1-x sr _x NiO ₃ dunne films op strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ) ondergronden. De as-grown dunne film, samen met een reagens, calciumhydride (CaH ₂ ), werd in een vacuümkamer geplaatst om een ​​reductiereactie te induceren. Tijdens het reductieproces het apicale zuurstofatoom in de NiO ₆ octaëders worden verwijderd. Dit veroorzaakt de perovskiet Nd _1-x sr _x NiO ₃ om te zetten in de oneindige laag Nd _1-x sr _x NiO ₂ . De onderzoekers pasten verschillende niveaus van Sr-dopingconcentraties toe en ontdekten dat supergeleiding voorkomt in de oneindige laag Nd _1-x sr _x NiO ₂ wanneer de Sr-samenstelling tussen x =0,135 en 0,235 ligt. Dit vormt een supergeleidend koepelvormig gebied. interessanter, ze ontdekten dat naast het supergeleidende gebied, zwak isolerend gedrag kan worden waargenomen bij lage temperaturen. Dit unieke gedrag is anders dan andere high-T _C materiële systemen zoals cuprates.

Prof Ariando zei:"Door geschikte onzuiverheden aan de isolerende moederverbinding toe te voegen, het nikkelmateriaalsysteem kan een hoge T . vertonen _C supergeleiding. Onze bevindingen kunnen verdere inzichten verschaffen om de dopingafhankelijke eigenschappen in deze materiaalsystemen beter te begrijpen en om te zoeken naar andere supergeleidende materialen in de 'nikkelfamilie'."