Nikkel til eftertanke:Forbindelse viser potentiale for høj temperatur superledning

Et team af forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory har identificeret en nikkeloxidforbindelse som et ukonventionelt, men lovende kandidatmateriale til høj temperatur superledning.

Holdet syntetiserede med succes enkeltkrystaller af en metallisk trelags nikkelforbindelse, en bedrift forskerne mener er den første.

"Det er klar til supraledelse på en måde, der ikke findes i andre nikkeloxider. Vi er meget håbefulde om, at alt, hvad vi skal gøre nu, er at finde den rigtige elektronkoncentration."

Denne nikkeloxidforbindelse leder ikke super, sagde John Mitchell, en fremtrædende medarbejder i Argonne og associeret direktør for laboratoriets afdeling for materialevidenskab, der ledede projektet, som kombinerede krystalvækst, Røntgenspektroskopi, og beregningsteori. Men, han tilføjede, "Det er klar til supraledelse på en måde, der ikke findes i andre nikkeloxider. Vi er meget håbefulde om, at alt, hvad vi skal gøre nu, er at finde den rigtige elektronkoncentration."

Mitchell og syv medforfattere offentliggjorde deres resultater i denne uges nummer af Naturfysik .

Superledende materialer er teknologisk vigtige, fordi elektricitet strømmer igennem dem uden modstand. Højtemperatur superledere kan føre til hurtigere, mere effektive elektroniske enheder, net, der kan overføre strøm uden energitab og ultrahurtige svævende tog, der kører gnidningsfrie magneter i stedet for skinner.

Kun lavtemperatur-superledning syntes mulig inden 1986, men materialer, der superleder ved lave temperaturer, er upraktiske, fordi de først skal afkøles til hundredvis af minusgrader. I 1986, imidlertid, opdagelse af høj temperatur superledning i kobberoxidforbindelser kaldet cuprates skabte nyt teknologisk potentiale for fænomenet.

Men efter tre årtier med efterfølgende forskning, præcis hvordan cuprate superledelse fungerer, er fortsat et afgørende problem i feltet. En tilgang til at løse dette problem har været at studere forbindelser, der har lignende krystal, magnetiske og elektroniske strukturer til cuprates.

Nikkelbaserede oxider - nikkelater - har længe været betragtet som potentielle cuprate -analoger, fordi elementet sidder umiddelbart ved siden af ​​kobber i det periodiske system. Så langt, Mitchell bemærkede, "Det har været en mislykket søgen." Som han og hans medforfattere bemærkede i deres Naturfysik papir, "Ingen af ​​disse analoger har været superledende, og få er endda metalliske. "

Nikkelatet, som Argonne-teamet har skabt, er en kvasi-todimensionel trelagsforbindelse, hvilket betyder, at det består af tre lag nikkeloxid, der er adskilt af afstandsstykker af praseodymiumoxid.

"Således ser det mere todimensionalt ud end tredimensionelt, strukturelt og elektronisk, "Sagde Mitchell.

Dette nikkelat og en forbindelse indeholdende lanthan frem for praseodym deler begge den kvasi-todimensionelle trelagsstruktur. Men lanthananalogen er ikke-metallisk og vedtager en såkaldt "ladestribet" fase, en elektronisk ejendom, der gør materialet til en isolator, det modsatte af en superleder.

"Af en endnu ukendt årsag, praseodymium -systemet danner ikke disse striber, "Mitchell sagde." Det forbliver metallisk, og det er bestemt den mere sandsynlige kandidat til superledning. "

Argonne er et af få laboratorier i verden, hvor forbindelsen kunne oprettes. Materials Science Division's højtryksovn med flydende optisk billede med flydende zone har særlige muligheder. Det kan opnå tryk på 150 atmosfærer (svarende til knustrykket, der findes på havdybder på næsten 5, 000 fod) og temperaturer på cirka 2, 000 grader Celsius (mere end 3, 600 grader Fahrenheit), betingelser, der er nødvendige for at dyrke krystallerne.

"Vi vidste ikke med sikkerhed, at vi kunne lave disse materialer, "sagde Argonne postdoktorforsker Junjie Zhang, den første forfatter på undersøgelsen. Men faktisk, det lykkedes dem at vokse krystallerne, der målte et par millimeter i diameter (en lille brøkdel af en tomme).

Forskergruppen verificerede, at nikkelatets elektroniske struktur ligner cupratematerialers struktur ved at tage røntgenabsorptionsspektroskopimålinger ved Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og ved at udføre tæthedsfunktionelle teoriberegninger. Materialeforskere bruger densitetsteori til at undersøge de elektroniske egenskaber ved systemer til kondenseret stof.

"Jeg har brugt hele min karriere på ikke at lave superledere ved høj temperatur, "Spøgte Mitchell. Men det kan ændre sig i den næste fase af hans teams forskning:forsøg på at fremkalde superledning i deres nikkelmateriale ved hjælp af en kemisk proces kaldet elektrondoping, hvor urenheder bevidst tilsættes et materiale for at påvirke dets egenskaber.