Supraleitung in Nickelaten finden

Laut Antia Botana, Professorin für Physik an der Arizona State University, ist das Studium der Supraleitung mit Enttäuschungen, Sackgassen und zufälligen Entdeckungen übersät.

„Als Theoretiker scheitern wir im Allgemeinen daran, neue Supraleiter vorherzusagen“, sagte sie.

2021 erlebte sie jedoch den Höhepunkt ihrer frühen Karriere. In Zusammenarbeit mit der Experimentalforscherin Julia Mundy von der Harvard University entdeckte sie ein neues supraleitendes Material – ein Nickelat mit fünf Schichten. Sie berichteten von ihren Erkenntnissen in Naturmaterialien im September 2021.

„Das war einer der besten Momente meines Lebens“, erinnert sich Botana. „Ich bin aus Spanien zurückgeflogen und habe während meines Zwischenstopps eine Nachricht von meiner Mitarbeiterin Julia Mundy erhalten.

Botana wurde als Sloan Research Fellow 2022 ausgewählt. Ihre Forschung wird durch einen CAREER Award der National Science Foundation (NSF) unterstützt.

„Prof. Botana ist einer der einflussreichsten Theoretiker auf dem Gebiet der unkonventionellen Supraleitung, insbesondere bei geschichteten Nickelaten, die enorme Aufmerksamkeit von der Material- und Physikalischen Gemeinschaft erhalten haben“, sagte Serdar Ogut, Programmdirektor in der Abteilung für Materialforschung bei die National Science Foundation. „Ich gehe davon aus, dass ihre bahnbrechenden theoretischen Studien in Zusammenarbeit mit führenden Experimentatoren in den USA die Grenzen weiter verschieben, zur Entdeckung neuer supraleitender Materialien führen und grundlegende Mechanismen aufdecken werden, die eines Tages den Weg zur Supraleitung bei Raumtemperatur ebnen könnten. “

Supraleitung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Elektronen Paare bilden, anstatt sich isoliert zu bewegen, jeglichen Magnetismus abzustoßen und es Elektronen ermöglichen, sich ohne Energieverlust zu bewegen. Die Entwicklung von Supraleitern bei Raumtemperatur würde eine verlustfreie Stromübertragung und schnellere, billigere Quantencomputer ermöglichen. Das Studium dieser Materialien ist die Domäne der Theorie der kondensierten Materie.

„Wir versuchen zu verstehen, was Quantenmaterialien genannt werden – Materialien, bei denen alles Klassische, was wir in unserem Grundstudium gelernt haben, auseinanderfällt und niemand versteht, warum sie die lustigen Dinge tun, die sie tun“, scherzte Botana.

Sie begann zu recherchieren vernickelthauptsächlich um Cuprate besser zu verstehen – Supraleiter auf Kupferoxidbasis, die erstmals 1986 entdeckt wurden. Dreißig Jahre später ist der Mechanismus, der Supraleitung in diesen Materialien erzeugt, immer noch heiß umstritten.

Botana nähert sich dem Problem, indem es sich Materialien ansieht, die wie Cuprate aussehen. „Kupfer und Nickel stehen im Periodensystem direkt nebeneinander“, sagte sie. „Das war eine naheliegende Sache, also haben sich die Leute schon lange erfolglos mit Nickelaten beschäftigt.“

Aber dann, im Jahr 2019, entdeckte ein Team aus Stanford die Supraleitung in einem Nickelat, das allerdings „dotiert“ oder chemisch verändert worden war, um seine elektronischen Eigenschaften zu verbessern. „Das Material, das sie 2019 gefunden haben, ist Teil einer größeren Familie, was wir wollen, weil wir Vergleiche mit Cupraten besser anstellen können“, sagte sie.

Die Entdeckung von Botana im Jahr 2021 baute auf dieser Grundlage auf und verwendete eine Form von undotiertem Nickelat mit einer einzigartigen, quadratisch-planaren Schichtstruktur. Sie beschloss, diese spezielle Form von Nickelat – ein Seltenerd-Nickelat mit fünf Schichten und quadratischer Planarität – basierend auf ihrer Intuition zu untersuchen.

„Nachdem sie jahrelang mit vielen verschiedenen Materialien herumgespielt haben, ist es die Art von Intuition, die Menschen entwickeln, die sich mit elektronischer Struktur befassen“, sagte sie. „Das habe ich über die Jahre bei meinen Mentoren gesehen.“

Die Identifizierung einer anderen Form von supraleitendem Nickelat ermöglicht es den Forschern, Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Nickelaten sowie zwischen Nickelaten und Cupraten herauszuarbeiten. Je mehr Nickelate bisher untersucht werden, desto ähnlicher sehen sie Cupraten aus.

„Das Phasendiagramm scheint ziemlich ähnlich zu sein. Der Mechanismus der Elektronenpaarung scheint derselbe zu sein“, sagt Botana, „aber diese Frage muss noch geklärt werden.“

Herkömmliche Supraleiter weisen eine S-Wellen-Paarung auf – Elektronen können sich in jeder Richtung paaren und übereinander sitzen, sodass die Welle eine Kugel ist. Nickelate hingegen zeigen wahrscheinlich eine d-Wellen-Paarung, was bedeutet, dass die wolkenartige Quantenwelle, die die gepaarten Elektronen beschreibt, wie ein vierblättriges Kleeblatt geformt ist. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, wie stark Sauerstoff und Übergangsmetalle in diesen Materialien überlappen. Cuprate weisen einen großen „Superaustausch“ auf – das Material tauscht Elektronen in Kupferatomen über einen Weg, der Sauerstoff enthält, und nicht direkt.

„Wir glauben, dass dies einer der Faktoren sein könnte, die die Supraleitung bestimmen und die niedrigere kritische Temperatur der Nickelate verursachen“, sagte sie. „Wir können nach Möglichkeiten suchen, diese Eigenschaft zu optimieren.“

Botana und seine Kollegen Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo und Warren E. Pickett beschrieben einige dieser Unterschiede in einem Übersichtsartikel für Grenzen in der Physik im Februar 2022.

Suche nach Ursachen der Supraleitung

Einschreiben Körperliche Überprüfung X Im März 2022 vertieften sich Botana und Mitarbeiter des Brookhaven National Laboratory und der Argonne National Labs tiefer in die Rolle der Sauerstoffzustände im niederwertigen Nickelat La4Ni3O8. Mit rechnerischen und experimentellen Methoden verglichen sie das Material mit einem prototypischen Cuprat mit ähnlicher Elektronenfüllung. Die Arbeit war insofern einzigartig, als sie die Energie der hybridisierten Nickel-Sauerstoff-Zustände direkt maß.

Sie fanden heraus, dass Nickelate, obwohl sie mehr Energie zum Übertragen von Ladungen benötigten, eine beträchtliche Kapazität für den Superaustausch beibehielten. Sie schlussfolgern, dass sowohl die „Coulomb-Wechselwirkungen“ (die Anziehung oder Abstoßung von Teilchen oder Objekten aufgrund ihrer elektrischen Ladung) als auch Ladungstransferprozesse bei der Interpretation der Eigenschaften von Nickelaten berücksichtigt werden müssen.

Die Quantenphänomene, die Botana untersucht, treten auf den kleinsten bekannten Skalen auf und können nur indirekt durch physikalische Experimente untersucht werden (wie in der Körperliche Überprüfung X Papier). Botana verwendet Computersimulationen, um Vorhersagen zu treffen, Experimente zu interpretieren und das Verhalten und die Dynamik von Materialien wie Endlosschicht-Nickelat abzuleiten.

Ihre Forschung verwendet die Dichtefunktionaltheorie oder DFT – ein Mittel zur rechnerischen Lösung der Schrödinger-Gleichung, die die Wellenfunktion eines quantenmechanischen Systems beschreibt – sowie einen neueren, präziseren Ableger, der als dynamische Mittelfeldtheorie bekannt ist und Elektronen damit behandeln kann sind stark korreliert.

Für ihre Forschung nutzt Botana den Supercomputer Stampede2 des Texas Advanced Computing Center (TACC) – den zweitschnellsten aller Universitäten in den USA – sowie Maschinen der Arizona State University. Selbst auf den schnellsten Supercomputern der Welt ist die Untersuchung von Quantenmaterialien keine einfache Angelegenheit.

„Wenn ich ein Problem mit zu vielen Atomen sehe, sage ich: ‚Das kann ich nicht studieren'“, sagte Botana. „Vor zwanzig Jahren hätten ein paar Atome vielleicht zu viel ausgesehen.“ Aber leistungsfähigere Supercomputer ermöglichen es Physikern, größere, kompliziertere Systeme – wie Nickelate – zu untersuchen und Werkzeuge wie die dynamische Mittelfeldtheorie hinzuzufügen, die das Quantenverhalten besser erfassen können.

Obwohl das Gebiet der Physik der kondensierten Materie in einem goldenen Zeitalter der Entdeckungen lebt, hat es immer noch nicht den Ruf, den es verdient, sagt Botana.

„Ihr Telefon oder Computer wäre ohne Forschung in der Physik der kondensierten Materie nicht möglich – vom Bildschirm über die Batterie bis hin zur kleinen Kamera. Es ist wichtig, dass die Öffentlichkeit das versteht, selbst wenn es sich um Grundlagenforschung handelt und selbst wenn die Forscher dies nicht tun. Um zu wissen, wie es später verwendet wird, ist diese Art der Materialforschung von entscheidender Bedeutung.