Een nieuwe studie toont aan dat nikkeloxide-supergeleiders, die elektriciteit geleiden zonder verlies bij hogere temperaturen dan conventionele supergeleiders, een soort kwantummaterie bevatten die ladingsdichtheidsgolven of CDW's worden genoemd, die supergeleiding kunnen begeleiden.

De aanwezigheid van CDW's laat zien dat deze recent ontdekte materialen, ook bekend als nikkelaten, in staat zijn gecorreleerde toestanden te vormen - "elektronensoepen" die verschillende kwantumfasen kunnen bevatten, waaronder supergeleiding, onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en Stanford University gerapporteerd in Natuurfysica vandaag.

"In tegenstelling tot elke andere supergeleider die we kennen, verschijnen CDW's zelfs voordat we het materiaal dopen door sommige atomen te vervangen door andere om het aantal elektronen te veranderen dat vrij kan bewegen", zegt Wei-Sheng Lee, een hoofdwetenschapper en onderzoeker van SLAC. met het Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) die de studie leidde.

"Dit maakt de nikkelaten een zeer interessant nieuw systeem - een nieuwe speeltuin voor het bestuderen van onconventionele supergeleiders."

Nikkelaten en cuprates

In de 35 jaar sinds de eerste onconventionele "hoge temperatuur" supergeleiders werden ontdekt, hebben onderzoekers geracet om er een te vinden die elektriciteit zonder verlies bij bijna kamertemperatuur kon transporteren. Dit zou een revolutionaire ontwikkeling zijn, die zaken als perfect efficiënte hoogspanningslijnen, magneetzweeftreinen en tal van andere futuristische, energiebesparende technologieën mogelijk maakt.

Maar hoewel een krachtige wereldwijde onderzoeksinspanning veel aspecten van hun aard en gedrag heeft vastgesteld, weten mensen nog steeds niet precies hoe deze materialen supergeleidend worden.

Dus de ontdekking van de supergeleidende krachten van nikkelaat door SIMES-onderzoekers drie jaar geleden was opwindend omdat het wetenschappers een nieuw perspectief op het probleem gaf.

Sindsdien hebben SIMES-onderzoekers de elektronische structuur van de nikkelaten onderzocht - in feite de manier waarop hun elektronen zich gedragen - en het magnetische gedrag. Deze onderzoeken brachten belangrijke overeenkomsten en subtiele verschillen aan het licht tussen nikkelaten en de koperoxiden of cupraten - de eerste supergeleiders bij hoge temperatuur die ooit zijn ontdekt en nog steeds de wereldrecordhouders voor werking bij hoge temperaturen bij dagelijkse druk.

Omdat nikkel en koper vlak naast elkaar zitten in het periodiek systeem der elementen, waren wetenschappers niet verrast om daar een verwantschap te zien, en hadden ze zelfs vermoed dat nikkelaten goede supergeleiders zouden kunnen zijn. Maar het bleek buitengewoon moeilijk om materialen met precies de juiste eigenschappen te construeren.

"Dit is nog erg nieuw," zei Lee. "Mensen worstelen nog steeds met het synthetiseren van dunne films van deze materialen en begrijpen hoe verschillende omstandigheden de onderliggende microscopische mechanismen die verband houden met supergeleiding kunnen beïnvloeden."

Bevroren elektronenrimpelingen

CDW's zijn slechts een van de vreemde toestanden van materie die strijden om bekendheid in supergeleidende materialen. Je kunt ze zien als een patroon van bevroren elektronenrimpelingen bovenop de atomaire structuur van het materiaal, met een hogere dichtheid van elektronen in de toppen van de rimpelingen en een lagere dichtheid van elektronen in de troggen.

Terwijl onderzoekers de temperatuur en het dopingniveau van het materiaal aanpassen, ontstaan ​​​​verschillende toestanden en vervagen ze. Wanneer de omstandigheden precies goed zijn, verliezen de elektronen van het materiaal hun individuele identiteit en vormen ze een elektronensoep, en kwantumtoestanden zoals supergeleiding en CDW's kunnen ontstaan.

Een eerdere studie door de SIMES-groep vond geen CDW's in nikkelaten die het zeldzame-aarde-element neodymium bevatten. Maar in deze laatste studie creëerde en onderzocht het SIMES-team een ​​ander nikkelaatmateriaal waarbij neodymium werd vervangen door een ander zeldzaam aardelement, lanthaan.

"De opkomst van CDW's kan erg gevoelig zijn voor zaken als spanning of wanorde in hun omgeving, die kunnen worden afgestemd door verschillende zeldzame aardelementen te gebruiken", legt Matteo Rossi uit, die de experimenten leidde terwijl een postdoctoraal onderzoeker bij SLAC.

Het team voerde experimenten uit bij drie röntgenlichtbronnen:de Diamond Light Source in het VK, de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource bij SLAC en de Advanced Light Source bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE. Elk van deze faciliteiten bood gespecialiseerde hulpmiddelen om de stof op een fundamenteel niveau te onderzoeken en te begrijpen. Alle experimenten moesten op afstand worden uitgevoerd vanwege pandemische beperkingen.

'In wezen zelfdoping'

De experimenten toonden aan dat dit nikkelaat zowel CDW's als supergeleidende toestanden van materie kon bevatten - en dat deze toestanden al aanwezig waren voordat het materiaal werd gedoteerd. Dit was verrassend, omdat doping meestal een essentieel onderdeel is om materialen supergeleidend te krijgen.

Lee zei dat het feit dat dit nikkelaat in wezen zelfdoping is, het aanzienlijk anders maakt dan de cuprates.

"Dit maakt nikkel tot een zeer interessant nieuw systeem om te bestuderen hoe deze kwantumfasen met elkaar concurreren of met elkaar verweven zijn", zei hij. "En het betekent dat veel tools die worden gebruikt om andere onconventionele supergeleiders te bestuderen, ook voor deze relevant kunnen zijn." + Verder verkennen

Eerste studie van het magnetisme van nikkelaat vindt een sterke verwantschap met cupraat-supergeleiders