Sinds de ontdekking in 1986 dat koperoxide materialen, of kopjes, elektrische stroom kan voeren zonder verlies bij onverwacht hoge temperaturen, wetenschappers hebben gezocht naar andere onconventionele supergeleiders die nog dichter bij kamertemperatuur zouden kunnen werken. Dit zou een groot aantal alledaagse toepassingen mogelijk maken die de samenleving zouden kunnen transformeren door de energietransmissie efficiënter te maken, bijvoorbeeld.

Nikkeloxiden, of nikkelaten, leek een veelbelovende kandidaat. Ze zijn gebaseerd op nikkel, die naast koper op het periodiek systeem zit, en de twee elementen hebben enkele gemeenschappelijke kenmerken. Het was niet onredelijk om te denken dat supergeleiding er een van zou zijn.

Maar het duurde jaren van proberen voordat wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University eindelijk het eerste nikkelaat creëerden dat duidelijke tekenen van supergeleiding vertoonde.

Nu SLAC, Stanford, en Diamond Light Source-onderzoekers hebben de eerste metingen gedaan van magnetische excitaties die zich als rimpelingen in een vijver door het nieuwe materiaal verspreiden. De resultaten onthullen zowel belangrijke overeenkomsten als subtiele verschillen tussen nikkelaten en cupraten. De wetenschappers publiceerden hun resultaten in Wetenschap vandaag.

"Dit is spannend, omdat het ons een nieuwe invalshoek geeft om te onderzoeken hoe onconventionele supergeleiders werken, wat na meer dan 30 jaar onderzoek nog steeds een open vraag is, " zei Haiyu Lu, een afgestudeerde student van Stanford die het grootste deel van het onderzoek deed met Stanford postdoctoraal onderzoeker Matteo Rossi en SLAC-stafwetenschapper Wei-Sheng Lee.

"Onder andere, " hij zei, "We willen de aard van de relatie tussen cuprates en nikkelaten begrijpen:zijn het gewoon buren, hallo zwaaien en hun eigen weg gaan, of meer als neven en nichten die familiekenmerken en manieren van doen delen?"

De resultaten van deze studie, hij zei, toevoegen aan een groeiend aantal bewijzen dat hun relatie hecht is.

Draait in een dambord

Cupraten en nikkelaten hebben vergelijkbare structuren, met hun atomen gerangschikt in een stijf rooster. Beide komen in dunne, 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.

Het eerste supergeleidende nikkelaat werd in 2019 ontdekt bij SLAC en Stanford. Vorig jaar, hetzelfde SLAC/Stanford-team dat dit laatste experiment uitvoerde, publiceerde de eerste gedetailleerde studie van het elektronische gedrag van nikkelaat. Uit die studie bleek dat in ongedoteerd nikkelaat, elektronen stromen vrij in nikkeloxidelagen, maar elektronen uit de tussenliggende lagen dragen ook elektronen bij aan de stroom. Dit creëert een 3D-metalen staat die heel anders is dan wat wordt gezien in cuprates, die isolatoren zijn als ze niet zijn gedoteerd.

Magnetisme is ook belangrijk bij supergeleiding. Het wordt gemaakt door de spins van de elektronen van een materiaal. Als ze allemaal in dezelfde richting zijn gericht, omhoog of omlaag, het materiaal is magnetisch in die zin dat het aan de deur van je koelkast kan plakken.

Cuprates, anderzijds, zijn antiferromagnetisch:hun elektronenspins vormen een dambordpatroon, dus elke neerwaartse spin wordt omringd door opwaartse spins en vice versa. De afwisselende spins heffen elkaar op, dus het materiaal als geheel is niet magnetisch in de gewone zin.

Zou nikkelaat dezelfde eigenschappen hebben? Er achter komen, onderzoekers namen er monsters van naar de Diamond Light Source-synchrotron in het VK voor onderzoek met resonante inelastische röntgenverstrooiing, of RIXS. Bij deze techniek, wetenschappers verstrooien röntgenlicht van een materiaalmonster. Deze injectie van energie creëert magnetische excitaties - rimpelingen die door het materiaal reizen en willekeurig de spins van sommige van zijn elektronen omdraaien. Met RIXS kunnen wetenschappers zeer zwakke excitaties meten die anders niet zouden kunnen worden waargenomen.

Nieuwe recepten maken

"Wat we vinden is best interessant, " zei Lee. "De gegevens tonen aan dat nikkelaat hetzelfde type antiferromagnetische interactie heeft als cuprates. Het heeft ook een vergelijkbare magnetische energie, die de kracht weerspiegelt van de interacties tussen naburige spins die deze magnetische orde op zijn plaats houden. Dit houdt in dat hetzelfde type natuurkunde in beide van belang is."

Maar er zijn ook verschillen, merkte Rossi op. Magnetische excitaties verspreiden zich niet zo ver in nikkelaten, en sterven sneller uit. Doping heeft ook een andere invloed op de twee materialen; de positief geladen "gaten" die het creëert, zijn geconcentreerd rond nikkelatomen in nikkelaten en rond zuurstofatomen in cupraten, en dit beïnvloedt hoe hun elektronen zich gedragen.

Terwijl dit werk voortduurt, Rossi zei, het team zal testen hoe het doteren van het nikkelaat op verschillende manieren en het verwisselen van verschillende zeldzame aardelementen in de lagen tussen de nikkeloxidevellen de supergeleiding van het materiaal beïnvloeden - de weg vrijmakend, zij hopen, tot de ontdekking van betere supergeleiders.