Neuer Sprung im Verständnis von Nickeloxid-Supraleitern

Eine neue Studie zeigt, dass Nickeloxid-Supraleiter, die Elektrizität bei höheren Temperaturen verlustfrei leiten als herkömmliche Supraleiter, eine Art Quantenmaterie namens Ladungsdichtewellen oder CDWs enthalten, die die Supraleitung begleiten können.

Das Vorhandensein von CDWs zeigt, dass diese kürzlich entdeckten Materialien, auch als Nickelate bekannt, in der Lage sind, korrelierte Zustände zu bilden – „Elektronensuppen“, die eine Vielzahl von Quantenphasen beherbergen können, einschließlich Supraleitung, Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory und des Energieministeriums Die Stanford University meldete sich Naturphysik heute.

„Anders als bei jedem anderen Supraleiter, den wir kennen, erscheinen CDWs, noch bevor wir das Material dotieren, indem wir einige Atome durch andere ersetzen, um die Anzahl der Elektronen zu ändern, die sich frei bewegen können“, sagte Wei-Sheng Lee, leitender Wissenschaftler und Forscher am SLAC mit dem Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), das die Studie leitete.

„Dies macht die Nickelate zu einem sehr interessanten neuen System – einem neuen Spielplatz für die Untersuchung unkonventioneller Supraleiter.“

Nickelate und Cuprate

In den 35 Jahren, seit die ersten unkonventionellen „Hochtemperatur“-Supraleiter entdeckt wurden, haben Forscher einen Wettlauf unternommen, um einen zu finden, der Strom ohne Verluste bei nahezu Raumtemperatur transportieren kann. Dies wäre eine revolutionäre Entwicklung, die Dinge wie perfekt effiziente Stromleitungen, Magnetschwebebahnen und eine Vielzahl anderer futuristischer, energiesparender Technologien ermöglichen würde.

Aber während eine energische weltweite Forschungsanstrengung viele Aspekte ihrer Natur und ihres Verhaltens festgemacht hat, wissen die Menschen immer noch nicht genau, wie diese Materialien supraleitend werden.

Daher war die Entdeckung der supraleitenden Eigenschaften von Nickelat durch SIMES-Forscher vor drei Jahren aufregend, weil sie den Wissenschaftlern eine neue Perspektive auf das Problem gab.

Seitdem haben SIMES-Forscher die elektronische Struktur der Nickelate – im Wesentlichen das Verhalten ihrer Elektronen – und ihr magnetisches Verhalten untersucht. Diese Studien deckten wichtige Ähnlichkeiten und subtile Unterschiede zwischen Nickelaten und den Kupferoxiden oder Cupraten auf – den ersten jemals entdeckten Hochtemperatur-Supraleitern und immer noch Weltrekordhalter für den Hochtemperaturbetrieb bei alltäglichen Drücken.

Da Nickel und Kupfer im Periodensystem der Elemente direkt nebeneinander stehen, waren die Wissenschaftler nicht überrascht, dort eine Verwandtschaft zu sehen, und hatten sogar vermutet, dass Nickelate gute Supraleiter sein könnten. Es stellte sich jedoch als außerordentlich schwierig heraus, Materialien mit genau den richtigen Eigenschaften zu konstruieren.

„Das ist noch sehr neu“, sagte Lee. „Die Menschen kämpfen immer noch damit, dünne Filme aus diesen Materialien zu synthetisieren und zu verstehen, wie unterschiedliche Bedingungen die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen im Zusammenhang mit der Supraleitung beeinflussen können.“

Gefrorene Elektronenwellen

CDWs sind nur einer der seltsamen Materiezustände, die in supraleitenden Materialien um ihre Bedeutung ringen. Sie können sich diese als ein Muster aus gefrorenen Elektronenwellen vorstellen, die der atomaren Struktur des Materials überlagert sind, mit einer höheren Elektronendichte in den Spitzen der Wellen und einer geringeren Elektronendichte in den Wellentälern.

Wenn die Forscher die Temperatur und den Dotierungsgrad des Materials anpassen, entstehen und verblassen verschiedene Zustände. Wenn die Bedingungen genau richtig sind, verlieren die Elektronen des Materials ihre individuelle Identität und bilden eine Elektronensuppe, und Quantenzustände wie Supraleitung und CDWs können entstehen.

Eine frühere Studie der SIMES-Gruppe fand keine CDWs in Nickelaten, die das Seltenerdelement Neodym enthalten. Aber in dieser neuesten Studie hat das SIMES-Team ein anderes Nickelatmaterial entwickelt und untersucht, bei dem Neodym durch ein anderes Seltenerdelement, Lanthan, ersetzt wurde.

„Die Entstehung von CDWs kann sehr empfindlich auf Dinge wie Belastungen oder Unordnung in ihrer Umgebung reagieren, die durch die Verwendung verschiedener Seltenerdelemente abgestimmt werden können“, erklärte Matteo Rossi, der die Experimente als Postdoktorand am SLAC leitete.

Das Team führte Experimente an drei Röntgenlichtquellen durch – der Diamond Light Source im Vereinigten Königreich, der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource am SLAC und der Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE. Jede dieser Einrichtungen bot spezialisierte Werkzeuge, um das Material auf einer grundlegenden Ebene zu untersuchen und zu verstehen. Alle Experimente mussten aufgrund von Pandemiebeschränkungen aus der Ferne durchgeführt werden.

„Im Wesentlichen Selbstdoping“

Die Experimente zeigten, dass dieses Nickelat sowohl CDWs als auch supraleitende Materiezustände beherbergen kann – und dass diese Zustände bereits vorhanden waren, bevor das Material dotiert wurde. Dies war überraschend, da Dotierung normalerweise ein wesentlicher Bestandteil ist, um Materialien supraleitend zu machen.

Lee sagte, die Tatsache, dass dieses Nickelat im Wesentlichen selbstdopingend sei, unterscheide es erheblich von den Cupraten.

„Das macht Nickelate zu einem sehr interessanten neuen System, um zu untersuchen, wie diese Quantenphasen miteinander konkurrieren oder sich miteinander verflechten“, sagte er. „Und es bedeutet, dass viele Werkzeuge, die zur Untersuchung anderer unkonventioneller Supraleiter verwendet werden, auch für diesen relevant sein könnten.“