Ein Hochtemperatur-Supraleiter mit Nullwiderstand, der ein seltsames Metallverhalten aufweist

Forscher der Zhejiang-Universität und der Sun Yat-Sen-Universität haben Beweise für Hochtemperatur-Supraleitung ohne Widerstand und seltsames Metallverhalten in einem Material gesammelt, das sie in früheren Studien identifiziert hatten.

Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht In Naturphysikunterstreichen das Potenzial dieses Materials für die Untersuchung dieser seltenen physikalischen Eigenschaften und deren letztendliche Nutzung für die Entwicklung innovativer elektronischer Geräte.

„Hochtemperatur-Supraleitung ist eines der faszinierendsten Rätsel auf dem Gebiet der Festkörperphysik“, sagte Prof. Huiqiu Yuan, der Projektleiter dieser Arbeit, gegenüber Phys.org.

„Es birgt das Potenzial, die Technologie zu revolutionieren, indem es die Entwicklung supraleitender Elektronik ermöglicht, die mit flüssigem Stickstoff (über -195,8 °C oder 77,4 K) gekühlt wird. Folglich gehören die Suche nach Supraleitern mit hohen Sprungtemperaturen und das Verständnis ihrer Mechanismen zu den drängendsten Zielen in der Festkörperphysik.“

Hochtemperatur-Supraleiter sind sehr begehrte Materialien, da sie die Entwicklung einer neuen Klasse von Elektronik unterstützen könnten. Daher erregen Hinweise auf Hochtemperatur-Supraleitung häufig große Aufmerksamkeit, sowohl bei Forschern als auch bei Elektronikunternehmen.

Im Jahr 2023 berichtete ein Forschungsteam der Sun Yat-Sen-Universität unter der Leitung von Prof. Meng Weng über Anzeichen von Supraleitung bei Temperaturen unter 80 K in La3Ni2O7, einem Nickelat-Material. Da 80 K über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegen, war diese Entdeckung an sich schon ein Durchbruch, brachte jedoch auch einige Einschränkungen mit sich.

„Ein erheblicher Nachteil der ursprünglichen Entdeckung von Prof. Wang war das Fehlen des Nullwiderstands, dem auffälligsten Merkmal eines Supraleiters“, sagte Prof. Yuan.

„Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass Hochtemperatur-Supraleitung in diesem Material nur beobachtet wird, wenn es einem Druck von mindestens 14 Gigapascal (fast 140.000 Atmosphären) ausgesetzt ist. Daher sind hochpräzise Messungen und spezielle Hochdruckgeräte für weitere Untersuchungen unerlässlich.“

Um La3Ni2O7 weiter zu untersuchen, schlossen sich die Forscher der Sun Yat-Sen-Universität mit der Gruppe von Prof. Yuan am Center for Correlated Matter (CCM) der Zhejuang-Universität zusammen, das auf die Untersuchung stark korrelierter Materialien unter extremen Bedingungen spezialisiert ist.

Prof. Yuan erkannte, dass das Fehlen des Nullwiderstands in Prof. Wangs ursprünglichem Bericht auf die Inhomogenitäten der Probe selbst sowie auf die Druckbedingungen zurückzuführen war, die durch das feste Druckmedium des KBr-Pulvers verursacht wurden.

Die Forscher machten sich daher daran, eine neue Studie durchzuführen, in der sie die Eigenschaften des Materials anhand einer neuen Probe und unterschiedlicher Druckbedingungen untersuchen. Konkret schlug Prof. Yuan vor, winzige Proben und bessere hydrostatische Druckbedingungen zu verwenden, da diese Elemente der Schlüssel zur Beobachtung des Nullwiderstands sein könnten.

„Zufällig hat unser Team kürzlich die Hochdrucktechnik verbessert, indem es ein flüssiges Druckmedium in einer Diamantstempelzelle anwendete, die für die Erzeugung eines homogenen (hydrostatischen) Drucks geeignet ist, und mithilfe von Silberpaste elektrische Kontakte an einer winzigen Probe von 100 mm Länge herstellte“, erklärte Prof. Lin Jiao, einer der Mitautoren des Papiers und Fakultätsmitglied am Center for Correlated Matter.

„Als wir mit dieser Methode den elektrischen Widerstand von La3Ni2O7 bei hohem Druck maßen, beobachteten wir bei einer Abkühlung unter 66 K einen starken Widerstandsabfall, was auf den Beginn der Supraleitung hindeutet.“

Die Forscher kühlten das Material weiter ab und stellten fest, dass sein Widerstand unter -40 K Null erreichte. Ihr Experiment lieferte somit Beweise dafür, dass La3Ni2O7 unter Druck Hochtemperatur-Supraleitung aufweist. Nach der Veröffentlichung ihres Papiers sind die Wissenschaftler überzeugt, dass La3Ni2O7 tatsächlich ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.

„Die größte Herausforderung bei der Untersuchung von La3Ni2O7 liegt in seiner metastabilen chemischen Zusammensetzung“, sagte Prof. Yuan.

„Dies lässt darauf schließen, dass es innerhalb von La3Ni2O7 selbst im Mikrometermaßstab zahlreiche Kristalldefekte, Phasengrenzen, Schnittstellen und die Koexistenz unterschiedlicher Zusammensetzungen gibt. Um diese Probleme anzugehen, wurden winzige Einzelkristalle (ungefähr 100*100*20 Mikrometer) gemessen und wie bereits erwähnt quasi-hydrostatischer Druck angewendet.“

Im Wesentlichen platzierten Prof. Yuan und seine Kollegen ein kleines Stück eines Einkristalls des Materials zwischen den Ambossen zweier Diamanten und füllten die in diese Ambossflächen eingebettete Dichtung mit einem flüssigen Medium. Sie klebten vier bis fünf Au-Drähte, von denen jeder etwa 15 Mikrometer dick war, mit Silberpaste auf die Oberfläche der Probe, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen.

Anschließend setzten die Forscher die Probe unter hohen Druck, wodurch sie komprimiert wurde, und kühlten sie anschließend auf einige Kelvin ab. Indem sie den Widerstand der Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Druck maßen, konnten sie nachweisen, dass sie keinen Widerstand hatte.

„Unsere bedeutendste und bemerkenswerteste Entdeckung ist, dass der Widerstand von La3Ni2O7 bei einer Abkühlung unter 66 K stark abfällt und bei etwa 40 K Null erreicht“, sagte Prof. Yuan. „Dieses Experiment liefert entscheidende und überzeugende Beweise dafür, dass La3Ni2O7 ein Hochtemperatur-Supraleiter ist und sich neben Kupraten und Eisen-Pniktiden in die Reihen der unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleiter einreiht.“

Diese aktuelle Studie liefert nicht nur Beweise für Hochtemperatur-Supraleitung ohne Widerstand in La3Ni2O7, sondern bietet auch Einblicke in die Physik, die diesem Zustand zugrunde liegt. Tatsächlich beobachteten die Forscher in ihrer Probe unter Druck ein deutliches seltsames Metallverhalten und enthüllten damit eine Verbindung zwischen diesem Verhalten und Supraleitung.

„Der Begriff ‚seltsames Metall‘ bezieht sich auf Materialien, von denen die meisten eine unkonventionelle Supraleitung und/oder einen Quantenphasenübergang bei Nulltemperatur bei der Abstimmung durch einen nichtthermischen Parameter aufweisen, der mit unserem derzeitigen Wissen, das auf dem Landau-Theorem beruht, nicht beschrieben werden kann“, sagte Prof. Yuan.

„Dies deutet auf eine Abweichung vom herkömmlichen Verhalten der Ladungsträger hin, die sich nicht mehr einfach als Elektronen zu verhalten scheinen. Ein typisches Merkmal seltsamer Metalle, wie wir es bei La3Ni2O7 beobachtet haben, ist ein linearer Widerstand gegenüber der Temperatur (T-linearer Widerstand).“

Da La3Ni2O7 ein seltsames Metallverhalten zeigt, sollte der Mechanismus, der seiner Supraleitung zugrunde liegt, drastisch von dem in der Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie (BCS) beschriebenen abweichen, die die typische Supraleitung einfacher Metalle und Legierungen erklärt. Prof. Yuan und seine Kollegen glauben, dass ihre Erkenntnisse auch auf andere unkonventionelle Supraleiter mit seltsamem Metallverhalten zutreffen könnten.

„Wir haben auch festgestellt, dass der inverse Hall-Koeffizient beim Durchlaufen des druckinduzierten strukturellen Phasenübergangs deutlich zunimmt. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Veränderung der elektronischen Struktur in der Hochdruckphase für das Auftreten von Supraleitung entscheidend ist“, sagte Prof. Yuan.

Diese aktuelle Studie von Prof. Yuan, Prof. Weng und ihren jeweiligen Teams eröffnet neue interessante Möglichkeiten für die Untersuchung der Hochtemperatur-Supraleitung und ihrer Anwendung in der Elektronik. Die Forscher planen, die Physik von La3Ni2O7 weiter zu erforschen und gleichzeitig andere unkonventionelle Supraleiter zu untersuchen.

„Unser Verständnis dieser neuen Familie von Hochtemperatur-Supraleitern steckt noch in den Kinderschuhen, und es bleibt noch viel zu tun“, sagte Prof. Yuan. „Wie diese und andere Studien gezeigt haben, scheint die Supraleitung in Nickelaten äußerst empfindlich auf die Atomzusammensetzung zu reagieren, insbesondere wenn es zu wenige Sauerstoffatome gibt.“

Beobachtete Ähnlichkeiten zwischen der Supraleitung verschiedener Nickelate und der anderer bekannter Familien von Hochtemperatur-Supraleitern weisen auf die Möglichkeit hin, dass Nickelate auch bei hohen Temperaturen Supraleiter sein könnten, möglicherweise jedoch ohne dass hierfür hohe Drücke erforderlich wären.

In ihren nächsten Studien planen die Forscher, weitere geeignete Kandidatenverbindungen zu identifizieren, mit deren Hilfe sie die Schlüsselfaktoren für die Supraleitung hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur aufdecken könnten.

„Wir [have] Die Qualität der La3Ni2O7-Proben wurde verbessert und nach anderen verwandten Materialien gesucht, da dies die Durchführung weiterer Messungen ermöglichen würde, darunter des Ordnungsparameters, der Beziehung zwischen Supraleitung und strukturellem Phasenübergang usw.“, sagte Prof. Meng Wang.

„Vor kurzem wurden Hinweise auf Supraleitung in anderen Nickelatverbindungen wie La4Ni3O10 gefunden. Dies erweitert nicht nur die Familie der Nickelat-Supraleiter, sondern stellt auch eine relativ stabile Verbindung für eingehende Studien dar. Die Verbesserung der Probenqualität und die Reduzierung des für den supraleitenden Übergang erforderlichen Drucks bleiben jedoch weiterhin von höchster Priorität.“

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