De studie van supergeleiding is bezaaid met teleurstellingen, doodlopende wegen en toevallige ontdekkingen, volgens Antia Botana, hoogleraar natuurkunde aan de Arizona State University.

"Als theoretici falen we over het algemeen in het voorspellen van nieuwe supergeleiders", zei ze.

In 2021 beleefde ze echter het hoogtepunt van haar vroege carrière. In samenwerking met experimentator Julia Mundy aan de Harvard University ontdekte ze een nieuw supergeleidend materiaal:een vijflaags nikkelaat. Ze rapporteerden hun bevindingen in Nature Materials in september 2021.

"Het was een van de beste momenten van mijn leven", herinnert Botana zich. "Ik vloog terug uit Spanje en kreeg tijdens mijn tussenstop een bericht van mijn medewerker Julia Mundy. Toen ik de weerstand tot nul zag dalen, is er niets beters dan dat."

Botana werd gekozen als Sloan Research Fellow voor 2022. Haar onderzoek wordt ondersteund door een CAREER-prijs van de National Science Foundation (NSF).

"Prof. Botana is een van de meest invloedrijke theoretici op het gebied van onconventionele supergeleiding, met name in gelaagde nikkelaten die enorme aandacht hebben gekregen van de gemeenschappen van materialen en gecondenseerde materie", zegt Serdar Ogut, programmadirecteur in de afdeling materiaalonderzoek bij de Nationale Wetenschapsstichting. "Ik verwacht dat haar baanbrekende theoretische studies, in samenwerking met vooraanstaande experimentatoren in de VS, de grenzen zullen blijven verleggen, resulteren in de ontdekking van nieuwe supergeleidende materialen en fundamentele mechanismen blootleggen die op een dag de weg zouden kunnen effenen voor supergeleiding bij kamertemperatuur. "

Supergeleiding is een fenomeen dat optreedt wanneer elektronen paren vormen in plaats van geïsoleerd te reizen, waarbij alle magnetisme wordt afgestoten en elektronen kunnen reizen zonder energie te verliezen. Het ontwikkelen van supergeleiders bij kamertemperatuur zou een verliesvrije elektriciteitstransmissie en snellere, goedkopere kwantumcomputers mogelijk maken. Het bestuderen van deze materialen is het domein van de theorie van de gecondenseerde materie.

"We proberen te begrijpen wat kwantummaterialen worden genoemd - materialen waarin al het klassieke dat we in onze bachelorstudies hebben geleerd uit elkaar valt en niemand begrijpt waarom ze de leuke dingen doen die ze doen," grapte Botana.

Ze begon voornamelijk nikkelaten te onderzoeken om cuprates beter te begrijpen - op koperoxide gebaseerde supergeleiders die voor het eerst werden ontdekt in 1986. Dertig jaar later wordt het mechanisme dat supergeleiding in deze materialen produceert nog steeds fel betwist.

Botana benadert het probleem door te kijken naar materialen die op cuprates lijken. "Koper en nikkel staan ​​naast elkaar op het periodiek systeem", zei ze. "Dit was voor de hand liggend om te doen, dus mensen keken al lange tijd naar nikkelaten zonder succes."

Maar toen, in 2019, ontdekte een team uit Stanford supergeleiding in een nikkelaat, zij het dat het was "gedoopt" of chemisch was veranderd om de elektronische eigenschappen te verbeteren. "Het materiaal dat ze in 2019 vonden, maakt deel uit van een grotere familie, en dat is wat we willen, omdat het ons in staat stelt om op een betere manier vergelijkingen te maken met cuprates", zei ze.

Botana's ontdekking in 2021 bouwde voort op die basis, met behulp van een vorm van ongedoteerd nikkelaat met een unieke, vierkant-vlakke, gelaagde structuur. Ze besloot deze specifieke vorm van nikkelaat - een zeldzame-aarde, vijflaags, vierkant-vlak nikkelaat - op basis van intuïtie te onderzoeken.

"Na jarenlang met veel verschillende materialen te hebben gespeeld, is het het soort intuïtie dat mensen die elektronische structuur bestuderen, ontwikkelen," zei ze. "Ik heb dat in de loop der jaren gezien bij mijn mentoren."

Door een andere vorm van supergeleidend nikkelaat te identificeren, kunnen onderzoekers overeenkomsten en verschillen tussen nikkelaten en tussen nikkelaten en cupraten ontdekken. Tot dusverre, hoe meer nikkelaten er worden bestudeerd, hoe meer ze op cupraten lijken.

"Het fasediagram lijkt veel op elkaar. Het elektronenpaarmechanisme lijkt hetzelfde te zijn," zegt Botana, "maar dit is een vraag die nog moet worden opgelost."

Conventionele supergeleiders vertonen s-golfparen:elektronen kunnen in elke richting paren en op elkaar zitten, dus de golf is een bol. Nickelaten daarentegen vertonen waarschijnlijk d-golfparen, wat betekent dat de wolkachtige kwantumgolf die de gepaarde elektronen beschrijft, de vorm heeft van een klavertje vier. Een ander belangrijk verschil is hoe sterk zuurstof en overgangsmetalen elkaar overlappen in deze materialen. Cuprates vertonen een grote "superuitwisseling" - het materiaal verhandelt elektronen in koperatomen via een pad dat zuurstof bevat, in plaats van rechtstreeks.

"We denken dat dit een van de factoren is die supergeleiding regelt en de lagere kritische temperatuur van de nikkelaten veroorzaakt," zei ze. "We kunnen zoeken naar manieren om die eigenschap te optimaliseren."

Botana en collega's Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett beschreven enkele van deze verschillen in een overzichtsartikel voor Frontiers in Physics in februari 2022.

Zoeken naar hoofdoorzaken van supergeleiding

Schrijven in Physical Review X in maart 2022 gingen Botana en medewerkers van het Brookhaven National Laboratory en Argonne National Labs dieper in op de rol van zuurstoftoestanden in het laagwaardige nikkelaat La₄ Ni₃ O₈ . Met behulp van computationele en experimentele methoden vergeleken ze het materiaal met een prototypische cuprate met een vergelijkbare elektronenvulling. Het werk was uniek omdat het direct de energie meet van de nikkel-zuurstof gehybridiseerde toestanden.

Ze ontdekten dat nikkelaten, ondanks dat ze meer energie nodig hadden om ladingen over te dragen, een aanzienlijke capaciteit voor superuitwisseling behielden. Ze concluderen dat zowel de "Coulomb-interacties" (de aantrekking of afstoting van deeltjes of objecten vanwege hun elektrische lading) als ladingsoverdrachtsprocessen moeten worden overwogen bij het interpreteren van de eigenschappen van nikkelaten.

De kwantumverschijnselen die Botana bestudeert, doen zich voor op de kleinste bekende schaal en kunnen alleen schuin worden onderzocht door middel van fysieke experimenten (zoals in de Physical Review X papier). Botana gebruikt computersimulaties om voorspellingen te doen, experimenten te helpen interpreteren en het gedrag en de dynamiek van materialen zoals oneindig-laags nikkelaat af te leiden.

Haar onderzoek maakt gebruik van Density Functional Theory, of DFT, een middel om de Schrödinger-vergelijking die de golffunctie van een kwantummechanisch systeem beschrijft, computationeel op te lossen, evenals een nieuwere, preciezere uitloper die bekend staat als dynamische gemiddelde veldtheorie die elektronen kan behandelen die zijn sterk gecorreleerd.

Om haar onderzoek uit te voeren, gebruikt Botana de Stampede2-supercomputer van het Texas Advanced Computing Center (TACC) - de op één na snelste aan elke universiteit in de VS - en machines van de Arizona State University. Zelfs op de snelste supercomputers ter wereld is het bestuderen van kwantummaterialen geen eenvoudige zaak.

"Als ik een probleem zie met te veel atomen, zeg ik:'Dat kan ik niet bestuderen'," zei Botana. "Twintig jaar geleden leken een paar atomen misschien te veel." Maar krachtigere supercomputers stellen natuurkundigen in staat om grotere, meer gecompliceerde systemen te bestuderen, zoals nikkelaten, en tools toe te voegen, zoals dynamische gemiddelde-veldentheorie, die kwantumgedrag beter kunnen vastleggen.

Ondanks het feit dat we in een Gouden Eeuw van Ontdekking leven, heeft het vakgebied van de fysica van de gecondenseerde materie nog steeds niet de reputatie die het verdient, zegt Botana.

"Je telefoon of computer zou niet mogelijk zijn zonder onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie - van het scherm, tot de batterij, tot de kleine camera. Het is belangrijk voor het publiek om dat te begrijpen, zelfs als het fundamenteel onderzoek is, en zelfs als de onderzoekers dat niet doen' Omdat ik niet weet hoe het later zal worden gebruikt, is dit soort materiaalonderzoek van cruciaal belang." + Verder verkennen

Gemodificeerde nikkelaatmaterialen kunnen het begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen verbeteren