Find superledning i nikkelater

Studiet af superledning er fyldt med skuffelser, blindgyder og serendipitære opdagelser, ifølge Antia Botana, professor i fysik ved Arizona State University.

"Som teoretikere fejler vi generelt i at forudsige nye superledere," sagde hun.

Men i 2021 oplevede hun højdepunktet i sin tidlige karriere. I samarbejde med eksperimenteren Julia Mundy på Harvard University opdagede hun et nyt superledende materiale - et femdobbelt lag nikkelat. De rapporterede deres resultater i Nature Materials i september 2021.

"Det var et af de bedste øjeblikke i mit liv," huskede Botana. "Jeg fløj tilbage fra Spanien, og jeg modtog en besked fra min samarbejdspartner Julia Mundy under min pause. Da jeg så modstanden falde til nul - der er ikke noget bedre end det."

Botana blev valgt som Sloan Research Fellow i 2022. Hendes forskning er støttet af en CAREER-pris fra National Science Foundation (NSF).

"Prof. Botana er en af ​​de mest indflydelsesrige teoretikere inden for ukonventionel superledning, især i lagdelte nikkelater, der har fået enorm opmærksomhed fra fysiksamfundene for materialer og kondenseret stof," siger Serdar Ogut, programdirektør i afdelingen for materialeforskning ved National Science Foundation. "Jeg forventer, at hendes banebrydende teoretiske studier, i samarbejde med førende eksperimentelister i USA, vil fortsætte med at skubbe grænserne, resultere i opdagelsen af ​​nye superledende materialer og afdække fundamentale mekanismer, der en dag kan bane vejen for superledning ved stuetemperatur. "

Superledning er et fænomen, der opstår, når elektroner danner par i stedet for at rejse i isolation, frastøder al magnetisme og tillader elektroner at rejse uden at miste energi. Udvikling af superledere ved stuetemperatur ville tillade tabsfri eltransmission og hurtigere, billigere kvantecomputere. At studere disse materialer er teorien om kondenseret stof.

"Vi forsøger at forstå, hvad der kaldes kvantematerialer - materialer, hvor alt det klassiske, som vi lærte i vores bachelorstudier falder fra hinanden, og ingen forstår, hvorfor de gør de sjove ting, de gør," jokede Botana.

Hun begyndte at undersøge nikkelater, stort set for bedre at forstå cuprater - kobberoxidbaserede superledere, der først blev opdaget i 1986. Tredive år senere er mekanismen, der producerer superledning i disse materialer, stadig meget omstridt.

Botana nærmer sig problemet ved at se på materialer, der ligner cuprates. "Kobber og nikkel er lige ved siden af ​​hinanden på det periodiske system," sagde hun. "Dette var en oplagt ting at gøre, så folk havde kigget på nikkelater i lang tid uden held."

Men så, i 2019, opdagede et hold fra Stanford superledning i en nikkelat, omend en der var blevet "dopet" eller kemisk ændret for at forbedre dens elektroniske egenskaber. "Det materiale, de fandt i 2019, er en del af en større familie, hvilket er det, vi ønsker, fordi det lader os sammenligne med cuprates på en bedre måde," sagde hun.

Botanas opdagelse i 2021 byggede på dette fundament ved at bruge en form for udopet nikkelat med en unik, firkantet plan, lagdelt struktur. Hun besluttede at undersøge denne specifikke form for nickelat - en sjælden jordart, femdobbelt lag, firkantet plan nickelat - baseret på intuition.

"Efter at have leget med mange forskellige materialer i årevis, er det den type intuition, som folk, der studerer elektronisk struktur, udvikler," sagde hun. "Det har jeg set gennem årene med mine mentorer."

Identifikation af en anden form for superledende nikkelat lader forskerne pirre ligheder og forskelle mellem nikkelater og mellem nikkelater og kuprater. Indtil videre, jo flere nikkelater der studeres, jo mere ligner de cuprates.

"Fasediagrammet virker ret ens. Elektronparringsmekanismen ser ud til at være den samme," siger Botana, "men dette er et spørgsmål, der endnu ikke er afgjort."

Konventionelle superledere udviser s-bølgeparring - elektroner kan parres i alle retninger og kan sidde oven på hinanden, så bølgen er en kugle. Nikkelater, på den anden side, viser sandsynligvis d-bølge-parring, hvilket betyder, at den skylignende kvantebølge, der beskriver de parrede elektroner, er formet som en firkløver. En anden vigtig forskel er, hvor stærkt oxygen og overgangsmetaller overlapper i disse materialer. Cuprates udviser en stor "super-udveksling" - materialet handler elektroner i kobberatomer gennem en vej, der indeholder ilt, snarere end direkte.

"Vi tror, ​​at det kan være en af ​​de faktorer, der styrer superledning og forårsager den lavere kritiske temperatur af nikkelaterne," sagde hun. "Vi kan se efter måder at optimere den egenskab på."

Botana og kollegerne Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett beskrev nogle af disse forskelle i en oversigtsartikel for Frontiers in Physics i februar 2022.

Søger efter grundlæggende årsager til superledning

Skriver i Physical Review X i marts 2022 dykkede Botana og samarbejdspartnere fra Brookhaven National Laboratory og Argonne National Labs dybere ned i ilttilstandes rolle i lavvalens nikkelat La₄ Ni₃ O₈ . Ved hjælp af beregningsmæssige og eksperimentelle metoder sammenlignede de materialet med en prototypisk cuprat med en lignende elektronfyldning. Værket var unikt ved, at det direkte målte energien af ​​de nikkel-ilt hybridiserede tilstande.

De fandt ud af, at på trods af, at det krævede mere energi til at overføre ladninger, beholdt nikkelater en betydelig kapacitet til superudveksling. De konkluderer, at både "Coulomb-interaktionerne" (tiltrækning eller frastødning af partikler eller genstande på grund af deres elektriske ladning) og ladningsoverførselsprocesser skal tages i betragtning, når man fortolker egenskaberne af nikkelater.

De kvantefænomener, som Botana studerer, forekommer i de mindste kendte skalaer og kan kun undersøges skråt ved fysiske eksperiment (som i Physical Review X papir). Botana bruger beregningssimuleringer til at lave forudsigelser, hjælpe med at fortolke eksperimenter og udlede opførsel og dynamik af materialer som uendeligt lag nikkelat.

Hendes forskning bruger Density Functional Theory eller DFT - et middel til beregningsmæssig løsning af Schrödinger-ligningen, der beskriver bølgefunktionen af ​​et kvantemekanisk system - såvel som en nyere, mere præcis udløber kendt som dynamisk middelfeltteori, der kan behandle elektroner, der er stærkt korrelerede.

Til at udføre sin forskning bruger Botana Stampede2-supercomputeren fra Texas Advanced Computing Center (TACC) - den næsthurtigste på ethvert universitet i USA - samt maskiner ved Arizona State University. Selv på de hurtigste supercomputere i verden er det ikke nemt at studere kvantematerialer.

"Hvis jeg ser et problem med for mange atomer, siger jeg," det kan jeg ikke studere," sagde Botana. "For tyve år siden kunne nogle få atomer have lignet for meget." Men mere kraftfulde supercomputere giver fysikere mulighed for at studere større, mere komplicerede systemer - som nikkelater - og tilføje værktøjer, som dynamisk middelfeltteori, der bedre kan fange kvanteadfærd.

På trods af at man lever i en opdagelsesgyldne tidsalder, har feltet for kondenseret stofs fysik stadig ikke det ry, det fortjener, siger Botana.

"Din telefon eller computer ville ikke være mulig uden forskning i kondenseret stofs fysik – fra skærmen, til batteriet, til det lille kamera. Det er vigtigt for offentligheden at forstå, selvom det er grundforskning, og selvom forskerne gør det" For at vide, hvordan det vil blive brugt senere, er denne type forskning i materialer kritisk." + Udforsk yderligere

Modificerede nikkelatmaterialer kan forbedre forståelsen af ​​superledning ved høje temperaturer