Christopher Parzyck had alles goed gedaan. Parzyck, een postdoctoraal onderzoeker, had zijn nikkelaatmonsters – een nieuw ontdekte familie van supergeleiders – naar een synchrotronbundellijn gebracht voor experimenten met röntgenverstrooiing. Hij was zijn monsters aan het meten, die hij met een nieuwe methode had gesynthetiseerd, in de hoop de vermoedelijke aanwezigheid van 'ladingsordening' te detecteren - een fenomeen waarbij elektronen zichzelf organiseren in periodieke patronen. Het fenomeen is in verband gebracht met supergeleiding bij hoge temperaturen.

Maar er was geen significante lastenvolgorde in zijn monsters. Geen.

"Hij kwam terug en zei:'De betere monsters lieten het niet zien'", zegt Kyle Shen, de James A. Weeks hoogleraar natuurwetenschappen aan het College of Arts and Sciences, die toezicht hield op het project. "We hadden zoiets van:'Oh, dat is echt raar. Dat begrijp ik niet.'"

Soms raken wetenschappers zo verbijsterd dat ze geen andere keuze hebben dan hun hypothesen opzij te zetten, de mouwen op te stropen en hun detectivehoeden op te zetten. Na uitgebreid speurwerk beseften Parzyck, Shen en hun medewerkers dat ze in feite alles goed hadden gedaan.

Volgens bevindingen gepubliceerd op 26 januari in Nature Materials Parzycks nieuwe synthesemethode produceerde nikkelaten die zo zuiver waren dat ze vrij waren van de gebreken die eerdere onderzoeken naar nikkelaten hadden aangetast. Het lastenbevel heeft nooit bestaan. Ze achtervolgden een spook.

"Eerdere rapporten zeiden dat ze deze aanklacht geordend zien, maar er waren al deze inconsistenties", zei Shen. "Chris ontwikkelde een meer gecontroleerde manier om deze materialen te maken die het aantal defecten effectief beperkt. Overtollige zuurstofatomen deden zich voor als een teken van ladingsorder."

De afgelopen jaren is er veel belangstelling geweest voor nikkelaten, omdat ze nauwe verwanten zijn van de bekende ‘cuprates’, een familie van op koperoxide gebaseerde supergeleiders die hoge overgangstemperaturen kunnen hebben, van meer dan 100 Kelvin. de elektrische weerstand verdwijnt, terwijl bij conventionele supergeleiders, zoals lood of niobium, hun overgangen lager zijn dan 10 Kelvin. Supergeleiders bij hoge temperaturen zijn veel gemakkelijker af te koelen en zijn dus veel veelbelovender voor potentiële toekomstige toepassingen.

Sinds cuprates eind jaren tachtig voor het eerst werden ontdekt, hebben wetenschappers gezocht naar soortgelijke supergeleidende families die de belangrijkste eigenschappen zouden kunnen aanwijzen die supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk maken.

"Een voor de hand liggende plek om te kijken is nikkel, omdat nikkel vlak naast koper op het periodiek systeem staat", zei Shen. "Dus mensen dachten dat we misschien wat magische materiaalsynthese konden doen en nikkelhoudende verbindingen konden maken, een beetje zoals cuprates. Dat idee bestond dertig jaar geleden. De reden dat het zo lang duurde om het te realiseren is dat het blijkt dat nikkel-supergeleiders heel moeilijk te maken zijn. "

Andere onderzoekers hadden nikkelaten - die zijn samengesteld uit nikkel, zuurstof en een zeldzaam aardelement - gesynthetiseerd door eerst een 'voorloper'-materiaal te laten groeien en dat materiaal vervolgens bloot te stellen aan een waterstofbron en dit in een afgesloten buis te verwarmen. In de loop van ongeveer een dag haalt de waterstof grofweg een derde van de zuurstofmoleculen uit het materiaal eruit, wat Shen vergeleek met het verwijderen van blokken in een spelletje Jenga.

"Het synthetiseren van deze materialen is een beetje een nachtmerrie", zei hij.

Parzyck en Shen bedachten een alternatieve techniek waarbij de zuurstof wordt verwijderd door een straal atomaire waterstof, een proces dat vaak wordt gebruikt voor het reinigen van halfgeleideroppervlakken, maar nog nooit is gebruikt voor de synthese van materialen. Atomaire waterstofreductie geeft de onderzoekers een grotere onafhankelijke controle over de hoeveelheid waterstof die wordt toegepast, naast variabelen als tijd en druk. Het proces kan binnen enkele minuten worden voltooid, in plaats van uren of een dag.

"Het ontwikkelen van de reductietechniek was op zichzelf een lang en uitdagend proces", aldus Parzyck. "Toen ik net begon, probeerde ik omstandigheden toe te passen zoals die gebruikt worden bij de traditionele calciumhydridereductie (lage temperaturen gedurende relatief lange perioden), maar de monsterkwaliteit was altijd laag en niet erg consistent. Pas toen ik besloot om Begin opnieuw en ga een heel andere richting in – kiezen voor hogere temperaturen voor een zo kort mogelijke duur – en dat heb ik echt enig succes gevonden."

Nadat hun synchrotronexperimenten er niet in slaagden de "resonante verstrooiingspiek" aan te tonen die de aanwezigheid van ladingsordening had moeten signaleren, begonnen de onderzoekers de hoeveelheid zuurstof die ze eruit haalden te variëren.

"De echte doorbraak kwam toen we begonnen met het meten van de monsters die we doelbewust hadden voorbereid op overtollige zuurstof en een zeer sterke, duidelijke reactie zagen - toen hadden we een haalbare alternatieve verklaring voor de oorsprong van de piek en wisten we uiteindelijk dat we de goede kant op gingen, ' zei Parzyck.

Om hun vermoedens te bevestigen, werkten ze samen met wijlen Lena Kourkoutis, M.S. '06, Ph.D. '09, universitair hoofddocent toegepaste en technische natuurkunde, David Muller, de Samuel B. Eckert hoogleraar techniek en hun promovendus Lopa Bhatt, die elektronenmicroscopie gebruikten om direct te verifiëren dat sporen van zuurstof in de monsters inderdaad de valse lading veroorzaakten -bestelsignaal.

Het team heeft niet alleen een cruciaal verschil geïdentificeerd tussen cupraat- en nikkelaat-supergeleiders; ze hebben nu een betrouwbaardere methode voor het kweken van schonere monsters die mogelijk kunnen worden gebruikt voor een grotere verscheidenheid aan experimenten, met iets minder mysterie.

Meer informatie: C. T. Parzyck et al., Afwezigheid van een golfvolgorde van de ladingsdichtheid van 3a0 in het nikkelaat NdNiO2 met oneindige lagen, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01797-0

Aangeboden door Cornell University