Nyt spring i forståelsen af ​​nikkeloxid-superledere

En ny undersøgelse viser, at nikkeloxid-superledere, som leder elektricitet uden tab ved højere temperaturer end konventionelle superledere, indeholder en type kvantestof kaldet ladningsdensitetsbølger eller CDW'er, der kan ledsage superledning.

Tilstedeværelsen af ​​CDW'er viser, at disse nyligt opdagede materialer, også kendt som nikkelater, er i stand til at danne korrelerede tilstande - "elektronsupper", der kan være vært for en række kvantefaser, herunder superledning, forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University rapporterede i Nature Physics i dag.

"I modsætning til enhver anden superleder, vi kender til, dukker CDW'er op, selv før vi doper materialet ved at erstatte nogle atomer med andre for at ændre antallet af elektroner, der er frie til at bevæge sig rundt," siger Wei-Sheng Lee, en ledende videnskabsmand og efterforsker fra SLAC. med Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), der ledede undersøgelsen.

"Dette gør nikkelaterne til et meget interessant nyt system - en ny legeplads til at studere ukonventionelle superledere."

Nikkelater og kuprater

I de 35 år, der er gået, siden de første ukonventionelle "højtemperatur-superledere" blev opdaget, har forskerne kapløbet for at finde en, der kunne bære elektricitet uden tab ved tæt på stuetemperatur. Dette ville være en revolutionerende udvikling, der tillader ting som perfekt effektive elledninger, maglev-tog og en lang række andre futuristiske, energibesparende teknologier.

Men mens en energisk global forskningsindsats har fastlagt mange aspekter af deres natur og adfærd, ved folk stadig ikke præcis, hvordan disse materialer bliver superledende.

Så opdagelsen af ​​nikkelats superledende kræfter af SIMES-forskere for tre år siden var spændende, fordi det gav videnskabsmænd et nyt perspektiv på problemet.

Siden da har SIMES-forskere udforsket nikkelaternes elektroniske struktur - dybest set måden deres elektroner opfører sig på - og magnetisk adfærd. Disse undersøgelser viste vigtige ligheder og subtile forskelle mellem nikkelater og kobberoxider eller kuprater – de første højtemperatur-superledere nogensinde opdaget og stadig verdensrekordholdere for højtemperaturdrift ved daglige tryk.

Da nikkel og kobber sidder lige ved siden af ​​hinanden på grundstoffernes periodiske system, var forskerne ikke overraskede over at se et slægtskab der, og de havde faktisk haft mistanke om, at nikkelater kunne være gode superledere. Men det viste sig at være ekstraordinært svært at konstruere materialer med de helt rigtige egenskaber.

"Dette er stadig meget nyt," sagde Lee. "Folk kæmper stadig med at syntetisere tynde film af disse materialer og forstå, hvordan forskellige forhold kan påvirke de underliggende mikroskopiske mekanismer relateret til superledning."

Frosne elektronbølger

CDW'er er blot en af ​​de underlige tilstande af stof, der trænger sig på fremtrædende plads i superledende materialer. Du kan tænke på dem som et mønster af frosne elektronbølger overlejret på materialets atomare struktur, med en højere tæthed af elektroner i bølgernes toppe og en lavere tæthed af elektroner i dalene.

Efterhånden som forskere justerer materialets temperatur og dopingniveau, opstår forskellige tilstande og forsvinder. Når forholdene er helt rigtige, mister materialets elektroner deres individuelle identitet og danner en elektronsuppe, og kvantetilstande som superledning og CDW'er kan opstå.

En tidligere undersøgelse foretaget af SIMES-gruppen fandt ikke CDW'er i nikkelater, der indeholder det sjældne jordarters grundstof neodym. Men i denne seneste undersøgelse skabte og undersøgte SIMES-teamet et andet nikkelatmateriale, hvor neodym blev erstattet med et andet sjældent jordarters element, lanthan.

"Fremkomsten af ​​CDW'er kan være meget følsom over for ting som belastning eller uorden i deres omgivelser, som kan tunes ved at bruge forskellige sjældne jordarters elementer," forklarede Matteo Rossi, der ledede eksperimenterne, mens han var postdoktor ved SLAC.

Holdet udførte eksperimenter ved tre røntgenlyskilder - Diamond Light Source i Storbritannien, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource ved SLAC og Advanced Light Source ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory. Hver af disse faciliteter tilbød specialiserede værktøjer til at sondere og forstå materialet på et grundlæggende niveau. Alle eksperimenter måtte udføres eksternt på grund af pandemiske restriktioner.

'I bund og grund selvdoping'

Forsøgene viste, at dette nikkelat kunne være vært for både CDW'er og superledende stoftilstande - og at disse tilstande var til stede, selv før materialet var dopet. Dette var overraskende, fordi doping normalt er en væsentlig del af at få materialer til at superlede.

Lee sagde, at det faktum, at dette nikkelat i det væsentlige er selvdoping, gør det væsentligt anderledes end cuprates.

"Dette gør nikkelater til et meget interessant nyt system til at studere, hvordan disse kvantefaser konkurrerer eller flettes sammen med hinanden," sagde han. "Og det betyder, at en masse værktøjer, der bruges til at studere andre ukonventionelle superledere, også kan være relevante for denne." + Udforsk yderligere

Første undersøgelse af nikkelats magnetisme finder et stærkt slægtskab med cuprat superledere