Fasediagram for uendelige lag nikkel -superledere

NUS-fysikere har udviklet en metode til at fremkalde overgangen af ​​et sjældent jordnikkel fra deres oprindelige perovskitform til strukturer i uendeligt lag. Dette gjorde det muligt for dem at bygge et komplet fasediagram over denne nikkel -superleder.

En superleder er et materialesystem, der kan lede elektrisk strøm med nul modstand, når det bliver koldere end en "kritisk temperatur, "kendt som den superledende overgangstemperatur T _c . Konventionelle superledere har normalt et T _c lavere end grænsen på omkring 30 K (268 grader under stuetemperatur) forudsagt baseret på Bardeen -Cooper -Schrieffer (BCS) teorien. Dette begrænser brugen af ​​superledende enheder i vores daglige liv. I årtier, forskere har forsøgt at skubbe denne T _c højere ved at syntetisere nye materialer. Det er også vigtigt at forstå den fysiske mekanisme. Den såkaldte høj temperatur superledning i forbindelser indeholdende kobberoxidlag (kendt som cupraterne), med T. _c over BCS -grænsen og efterfølgende over kogepunktet for flydende nitrogen (77 K), blev opdaget i slutningen af ​​80'erne. Siden da har T _c har stået stille, og selvom der er foretaget vigtige forskningsresultater, oprindelsen og mekanismen for high-T _c superledning er stadig et mysterium. En ny superledende familie med en lignende krystal og elektronisk struktur som kupraten er en af ​​vejene i søgen efter potentielt højere T _c materialer og for at forstå den bagvedliggende mekanisme for høj-T _c superledning.

For nylig, forskere har opdaget tilstedeværelsen af ​​superledningsevne i sjældne jordarter nikkelforbindelser, en analog af cupraten. At studere denne cuprate -analog kan potentielt føre til en bedre forståelse af høj temperatur superledning, og mulighed for at forudsige designe og syntetisere højere T _c superledere. Imidlertid, det blev tydeligt, at nikkel -superledere er mere udfordrende at producere end først antaget. Ni måneder efter denne opdagelse, et forskerhold ledet af professor ARIANDO fra Institut for Fysik, NUS, blev den første gruppe til at gengive dette resultat. Vigtigere, de udviklede med succes fasediagrammet over nikkel -superlederen.

For at opnå dette, Prof ARIANDOs gruppe udviklede en topotaktisk reduktionsteknik til at transformere tynde film af sjælden jordnikkel (NdNiO ₂ ) fra sin sædvanlige perovskit krystallinske form til en ny dopet strukturform, kendt som uendelige lagstrukturer. I dette materiale, superledningsevne opstår, når nikkelforbindelsen er dopet med strontium (Sr) urenheder, og den eksisterer i sin struktur i uendeligt lag. Teknikken tillod forskerholdet at studere superledningen som en funktion af doping. De konstruerede fasediagrammet for dette materialesystem, og fandt tilstedeværelsen af ​​et superledende kuppelområde (dopingafhængig T _c ) og svagt isolerende regime ved siden af ​​kuplen (se figur).

I deres eksperimenter, forskerne brugte en pulseret laseraflejringsteknik til at syntetisere Sr-dopet nikkel Nd _1-x Sr _x NiO ₃ tynde film på strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) substrater. Den voksende tynde film, sammen med et reagens, calciumhydrid (CaH ₂ ), blev sat i et vakuumkammer for at inducere en reduktionsreaktion. Under reduktionsprocessen, det apikale iltatom i NiO ₆ octahedra fjernes. Dette forårsager perovskitten Nd _1-x Sr _x NiO ₃ at transformere til det uendelige lag Nd _1-x Sr _x NiO ₂ . Forskerne anvendte forskellige niveauer af Sr-dopingkoncentrationer og fandt ud af, at supraledelse forekommer i det uendelige lag Nd _1-x Sr _x NiO ₂ når Sr -sammensætningen er mellem x =0,135 og 0,235. Dette danner et superledende kuppelformet område. Mere interessant, de fandt ud af, at udover den superledende region, svagt isolerende adfærd kan observeres ved lave temperaturer. Denne unikke adfærd adskiller sig fra andre high-T _c materialesystemer såsom kopater.

Prof Ariando sagde, "Ved at indføre passende urenheder til den isolerende modersammensætning, nikkelmetalsystemet kan udvise høj-T _c superledning. Vores resultater kan give yderligere indsigt for bedre at forstå de dopingafhængige egenskaber i disse materialesystemer og for at søge efter andre superledende materialer i 'nikkelfamilien'. "