Første rapport om superledningsevne i et nikkeloxidmateriale

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har lavet det første nikkeloxidmateriale, der viser klare tegn på superledning - evnen til at transmittere elektrisk strøm uden tab.

Også kendt som nikkelat, det er den første i en potentiel ny familie af ukonventionelle superledere, der minder meget om kobberoxiderne, eller cuprates, hvis opdagelse i 1986 vakte håb om, at superledere en dag kunne fungere tæt på stuetemperatur og revolutionere elektroniske enheder, kraftoverførsel og andre teknologier. Disse ligheder har videnskabsmænd undret sig over, om nikkelater også kunne superlede ved relativt høje temperaturer.

På samme tid, det nye materiale virker anderledes end cuprates på fundamentale måder - f.eks. den indeholder måske ikke en type magnetisme, som alle de superledende cuprater har - og dette kan omstøde førende teorier om, hvordan disse ukonventionelle superledere fungerer. Efter mere end tre årtiers forskning, ingen har sat det fast.

Eksperimenterne blev ledet af Danfeng Li, en postdoc forsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC, og beskrevet i dag i Natur .

"Dette er en meget vigtig opdagelse, der kræver, at vi genovervejer detaljerne i den elektroniske struktur og mulige mekanismer for superledning i disse materialer, " sagde George Sawatzky, en professor i fysik og kemi ved University of British Columbia, som ikke var involveret i undersøgelsen, men skrev en kommentar, der fulgte med papiret i Natur . "Dette vil få en frygtelig masse mennesker til at springe ud i at undersøge denne nye klasse af materialer, og alt muligt eksperimentelt og teoretisk arbejde vil blive udført."

En svær vej

Lige siden cuprat-superlederne blev opdaget, forskere har drømt om at lave lignende oxidmaterialer baseret på nikkel, som ligger lige ved siden af ​​kobber på grundstoffernes periodiske system.

Men at lave nikkelater med en atomstruktur, der er befordrende for superledning, viste sig at være uventet svært.

"Så vidt vi ved, det nikkelat, vi forsøgte at lave, er ikke stabilt ved de meget høje temperaturer - omkring 600 grader Celsius - hvor disse materialer normalt dyrkes, " sagde Li. "Så vi var nødt til at starte med noget, vi stabilt kan dyrke ved høje temperaturer og derefter omdanne det ved lavere temperaturer til den form, vi ønskede."

Han startede med en perovskite - et materiale defineret af dets unikke, dobbeltpyramide atomstruktur - der indeholdt neodym, nikkel og oxygen. Derefter dopede han perovskitten ved at tilsætte strontium; dette er en almindelig proces, der tilføjer kemikalier til et materiale for at få flere af dets elektroner til at flyde frit.

Dette stjal elektroner væk fra nikkelatomer, efterlader tomme "huller, "og nikkelatomerne var ikke glade for det, sagde Li. Materialet var nu ustabilt, at gøre det næste trin – at dyrke en tynd film af det på en overflade – virkelig udfordrende; det tog ham et halvt år at få det til at virke.

'Jenga kemi'

Når det var gjort, Li skære filmen i små stykker, pakkede det løst ind i aluminiumsfolie og forseglede det i et reagensglas med et kemikalie, der pænt snuppede et lag af dets iltatomer - meget som at fjerne en pind fra et vaklende tårn af Jenga-blokke. Dette vendte filmen til en helt ny atomstruktur - et strontium-doteret nikkelat.

"Hvert af disse trin var blevet demonstreret før, "Li sagde, "men ikke i denne kombination."

Han husker det nøjagtige øjeblik i laboratoriet, omkring klokken 02.00, når test indikerede, at det dopede nikkelat kunne være superledende. Li var så begejstret, at han blev vågen hele natten, og om morgenen tiltrådte det regelmæssige møde i hans forskningsgruppe for at vise dem, hvad han havde fundet. Snart, mange af gruppemedlemmerne sluttede sig til ham i en døgnåben indsats for at forbedre og studere dette materiale.

Yderligere test ville afsløre, at nikkelatet faktisk var superledende i et temperaturområde fra 9-15 kelvin - utrolig koldt, men en første start, med mulighed for højere temperaturer forude.

Mere arbejde forude

Forskningen i det nye materiale er i en "meget, meget tidligt stadie, og der er meget arbejde forude, " advarede Harold Hwang, en SIMES efterforsker, professor ved SLAC og Stanford og seniorforfatter af rapporten. "Vi har lige set de første grundlæggende eksperimenter, og nu skal vi lave hele det batteri af undersøgelser, der stadig er i gang med cuprates."

Blandt andet, han sagde, Forskere vil gerne dope nikkelatmaterialet på forskellige måder for at se, hvordan dette påvirker dets superledningsevne over en række temperaturer, og afgøre, om andre nikkelater kan blive superledende. Andre undersøgelser vil udforske materialets magnetiske struktur og dets forhold til superledning.