Defekt materiale løser superlederens gåde

Christopher Parzyck havde gjort alt rigtigt. Parzyck, en postdoc-forsker, havde bragt sine nikkelatprøver - en nyopdaget familie af superledere - til en synkrotronstrålelinje til røntgenspredningsforsøg. Han målte sine prøver, som han havde syntetiseret med en ny metode, i håbet om at opdage den formodede tilstedeværelse af "ladningsorden" - et fænomen, hvor elektroner selvorganiserer sig i periodiske mønstre. Fænomenet er blevet forbundet med høj-temperatur superledning.

Men der var ingen væsentlig afgiftsordre i hans prøver. Ingen.

"Han kom tilbage og sagde:'De bedre prøver viste det ikke'," sagde Kyle Shen, James A. Weeks professor i fysiske videnskaber ved College of Arts and Sciences, som overvågede projektet. "Vi tænkte:'Åh, det er virkelig mærkeligt. Jeg forstår det ikke.'"

Nogle gange bliver videnskabsmænd så lamslåede, at de ikke har andet valg end at lægge deres hypoteser til side, smøge ærmerne op og tage deres detektivhatte på. Efter noget omfattende efterforskning indså Parzyck, Shen og deres samarbejdspartnere, at de faktisk havde gjort alt rigtigt.

Ifølge resultater offentliggjort 26. januar i Nature Materials , producerede Parzycks nye syntesemetode nikkelater, der var så rene, at de var fri for de fejl, der havde plettet tidligere undersøgelser af nikkelater. Opkrævningsordren havde aldrig eksisteret. De jagtede et fantom.

"Tidligere rapporter sagde, at de ser denne sigtelse, men der var alle disse uoverensstemmelser," sagde Shen. "Chris udviklede en mere kontrolleret måde at fremstille disse materialer på, som effektivt begrænser antallet af defekter. Overskydende iltatomer blev maskeret som en signatur for ladningsrækkefølgen."

I de senere år har nikkelater været genstand for stor interesse, fordi de er nyfundne nære fætre til de velkendte "cuprates", en familie af kobberoxid-baserede superledere, der kan have høje overgangstemperaturer, op mod 100 Kelvin, på hvilket tidspunkt elektrisk modstand forsvinder, hvorimod for konventionelle superledere, såsom bly eller niobium, deres overgange er under 10 Kelvin. Højtemperatur-superledere er meget nemmere at afkøle og er derfor langt mere lovende for potentielle fremtidige anvendelser.

Lige siden cuprates først blev opdaget i slutningen af ​​1980'erne, har forskere søgt efter lignende superledende familier, der kunne udpege de nøgleegenskaber, der muliggør superledning ved høje temperaturer.

"Et oplagt sted at se er nikkel, fordi nikkel er lige ved siden af ​​kobber på det periodiske system," sagde Shen. "Så folk troede, at vi måske kunne lave noget materialesyntesemagi og lave nikkelholdige forbindelser en slags cuprater. Den idé eksisterede for 30 år siden. Grunden til, at det tog så lang tid at indse, er, at det viser sig, at nikkelatsuperledere er virkelig svære at lave. "

Andre forskere havde syntetiseret nikkelater - som er sammensat af nikkel, ilt og et sjældent jordelement - ved først at dyrke et "precursor"-materiale og derefter udsætte dette materiale for en brintkilde og opvarme dem inde i et forseglet rør. I løbet af en dag eller deromkring trækker brinten omkring en tredjedel af materialets iltmolekyler ud, hvilket Shen sammenlignede med at fjerne blokke i et spil Jenga.

"At syntetisere disse materialer er lidt af et mareridt," sagde han.

Parzyck og Shen udtænkte en alternativ teknik, hvor ilten fjernes af en stråle af atomart brint, en proces, der almindeligvis bruges til at rense halvlederoverflader, men som aldrig har været brugt til materialesyntese. Atomisk brintreduktion giver forskerne større uafhængig kontrol over mængden af ​​brint, der påføres, foruden variabler som tid og tryk. Processen kan gennemføres på få minutter i stedet for timer eller en dag.

"At udvikle reduktionsteknikken var en lang og udfordrende proces i sig selv," sagde Parzyck. "Da jeg først startede, prøvede jeg at anvende betingelser som dem, der bruges i traditionel calciumhydridreduktion - lave temperaturer i relativt lange perioder - men prøvekvaliteten var altid lav og ikke særlig konsistent. Det var først, før jeg besluttede at start på en frisk og gå i en helt anden retning - ved at vælge højere temperaturer i så kort varighed som muligt - at jeg virkelig fandt en vis succes."

Efter at deres synkrotroneksperimenter ikke formåede at vise "resonansspredningstoppen", der skulle have signaleret tilstedeværelsen af ​​ladningsorden, begyndte forskerne at variere mængden af ​​ilt, de fjernede.

"Det virkelige gennembrud kom, da vi begyndte at måle prøverne, som vi målrettet forberedte til at have overskydende ilt og så en meget stærk, klar respons - så havde vi en holdbar alternativ forklaring på toppens oprindelse og vidste endelig, at vi gik i den rigtige retning, " sagde Parzyck.

For at bekræfte deres mistanker samarbejdede de med afdøde Lena Kourkoutis, M.S. '06, Ph.D. '09, lektor i anvendt og teknisk fysik, David Muller, Samuel B. Eckert professor i ingeniørvidenskab og deres ph.d.-studerende Lopa Bhatt, som brugte elektronmikroskopi til direkte at verificere, at spormængder af oxygen i prøverne faktisk forårsagede den falske ladning -ordresignal.

Ikke alene har holdet identificeret en afgørende forskel mellem cuprat- og nikkelatsuperledere; de har nu en mere pålidelig metode til at dyrke renere prøver, der potentielt kan bruges til en bredere række af eksperimenter, med lidt mindre mystik.

Flere oplysninger: C. T. Parzyck et al., Fravær af 3a0 ladningstæthed bølgeorden i det uendelige lag nikkelat NdNiO2, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01797-0

Leveret af Cornell University