Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een nieuwe supergeleider met een chirale kristallijne structuur gecreëerd door twee materialen te mengen:één met supergeleiding maar geen chiraliteit, en een andere met chiraliteit maar geen supergeleiding.

De nieuwe platina-iridium-zirkoniumverbinding gaat over in een bulk-supergeleider onder de 2,2 K en er werd waargenomen dat deze een chirale kristallijne structuur had met behulp van röntgendiffractie. Hun nieuwe solide oplossingsaanpak belooft de ontdekking en het begrip van nieuwe exotische supergeleidende materialen te versnellen.

Wetenschappers die supergeleiding bestuderen, zijn op een missie om te begrijpen hoe de exotische aard van supergeleidende materialen voortkomt uit hun structuur, en hoe we de structuur kunnen controleren om gewenste eigenschappen te verkrijgen.

Van de vele aspecten van structuur is een interessante recente ontwikkeling de kwestie van chiraliteit. Veel structuren hebben een 'handigheid', dat wil zeggen dat ze er in een spiegel niet hetzelfde uitzien. Een effect van chiraliteit in supergeleiders is het activeren van iets dat asymmetrische spin-orbitkoppeling (ASOC) wordt genoemd, een effect dat supergeleiders robuuster kan maken tegen blootstelling aan hoge magnetische velden.

Om chiraliteit diepgaander te begrijpen, hebben wetenschappers echter meer supergeleiders met een chirale structuur nodig om te bestuderen. De gebruikelijke route is het zoeken naar chirale verbindingen, controleren of ze supergeleidend zijn of niet, spoelen en herhalen:dit is zeer inefficiënt.

Daarom heeft een team van de Tokyo Metropolitan University onder leiding van universitair hoofddocent Yoshikazu Mizuguchi een geheel nieuwe aanpak geïntroduceerd. In plaats van lijsten met verbindingen te doorzoeken, mengden ze twee verbindingen met bekende fysische eigenschappen:een platina-zirkoniumverbinding met supergeleiding maar geen chiraliteit, en een iridium-zirkoniumverbinding met een chirale structuur, maar geen meldingen van supergeleiding. Het werk is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society .

Door elementen te combineren in een verhouding die overeenkomt met een bepaald deel van elke verbinding, waren ze in staat om fysieke eigenschappen effectief te 'mixen en matchen', waardoor een nieuw materiaal ontstond dat zowel een chirale kristalstructuur als supergeleiding had.

Het team bestudeerde eerst verschillende mengverhoudingen en ontdekte dat bij ongeveer 80% iridium-insluiting het aandeel van de chirale kristallijne structuur (hier de P6122-structuur van de chirale iridium-zirkoniumverbinding) snel toeneemt bij kamertemperatuur. Door monsters af te koelen tot lage temperaturen konden ze een supergeleiding tot ongeveer 85% bevestigen. Hierdoor bleef er een klein venster over waarin beide eigenschappen zich konden manifesteren.

Kijkend naar hun mengsel van 80%, koelden ze het monster af tot ongeveer waar supergeleiding werd waargenomen, waarbij ze ontdekten dat het aandeel van de chirale structuur dramatisch toeneemt. Het is duidelijk dat hun nieuwe verbinding een supergeleider is met een chirale structuur.

Het team bevestigde ook dat de supergeleiding in de bulk ontstaat, en niet vanaf het oppervlak. Hun werk demonstreert de kracht van een 'mix en match'-aanpak bij het maken van nieuwe exotische supergeleiders, een welkome, dramatische impuls in de jacht naar meer materialen en meer begrip.

Meer informatie: Yuto Watanabe et al, Chirale kristalstructuur en supergeleiding bij lage temperatuur in (Pt0.2Ir0.8)3Zr5, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c10797

Aangeboden door Tokyo Metropolitan University