27.07.2022 - SLAC National Accelerator Laboratory

Ein neuer Schritt zum Verständnis von Nickeloxid-Supraleitern

Eine neue Studie zeigt, dass Nickeloxid-Supraleiter, die Elektrizität bei höheren Temperaturen verlustfrei leiten als herkömmliche Supraleiter, eine Art von Quantenmaterie enthalten, die als Ladungsdichtewellen (CDWs) bezeichnet wird und die Supraleitung begleiten kann.

Das Vorhandensein von CDWs zeigt, dass diese kürzlich entdeckten Materialien, die auch als Nickelate bekannt sind, in der Lage sind, korrelierte Zustände zu bilden - "Elektronensuppen", die eine Vielzahl von Quantenphasen beherbergen können, einschließlich Supraleitung, berichten Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University heute in Nature Physics.

"Im Gegensatz zu allen anderen uns bekannten Supraleitern treten CDWs schon auf, bevor wir das Material dotieren, indem wir einige Atome durch andere ersetzen, um die Anzahl der frei beweglichen Elektronen zu verändern", so Wei-Sheng Lee, leitender Wissenschaftler am SLAC und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), der die Studie leitete.

"Das macht die Nickelate zu einem sehr interessanten neuen System - eine neue Spielwiese für die Untersuchung unkonventioneller Supraleiter."

Nickelate und Kuprate

In den 35 Jahren seit der Entdeckung der ersten unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleiter haben die Forscher alles daran gesetzt, einen Supraleiter zu finden, der bei nahezu Raumtemperatur verlustfrei Strom übertragen kann. Dies wäre eine revolutionäre Entwicklung, die z. B. perfekt funktionierende Stromleitungen, Magnetschwebebahnen und viele andere futuristische, energiesparende Technologien ermöglichen würde.

Trotz intensiver weltweiter Forschungsanstrengungen, die viele Aspekte ihrer Beschaffenheit und ihres Verhaltens geklärt haben, weiß man jedoch immer noch nicht genau, wie diese Materialien supraleitend werden.

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

Seitdem haben die SIMES-Forscher die elektronische Struktur der Nickelate - im Wesentlichen die Art und Weise, wie sich ihre Elektronen verhalten - und ihr magnetisches Verhalten untersucht. Dabei wurden wichtige Ähnlichkeiten und feine Unterschiede zwischen den Nickelaten und den Kupferoxiden oder Kupraten festgestellt - den ersten Hochtemperatursupraleitern, die jemals entdeckt wurden, und die noch immer den Weltrekord für Hochtemperaturbetrieb bei alltäglichen Drücken halten.

Da Nickel und Kupfer im Periodensystem der Elemente in unmittelbarer Nähe zueinander stehen, waren die Wissenschaftler nicht überrascht, dass es eine Verwandtschaft gibt, und sie hatten sogar vermutet, dass Nickelate gute Supraleiter sein könnten. Es erwies sich jedoch als außerordentlich schwierig, Materialien mit genau den richtigen Eigenschaften herzustellen.

"Das ist noch sehr neu", sagte Lee. "Man kämpft immer noch darum, dünne Schichten dieser Materialien zu synthetisieren und zu verstehen, wie unterschiedliche Bedingungen die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen der Supraleitung beeinflussen können."

Gefrorene Elektronenrippel

CDWs sind nur einer der seltsamen Materiezustände, die in supraleitenden Materialien um die Vorherrschaft ringen. Man kann sie sich als ein Muster gefrorener Elektronenwellen vorstellen, die der atomaren Struktur des Materials überlagert sind, mit einer höheren Dichte von Elektronen in den Spitzen der Wellen und einer geringeren Dichte von Elektronen in den Tälern.

Wenn die Forscher die Temperatur und den Dotierungsgrad des Materials einstellen, treten verschiedene Zustände auf und verschwinden wieder. Wenn die Bedingungen genau richtig sind, verlieren die Elektronen des Materials ihre individuelle Identität und bilden eine Elektronensuppe, und es können Quantenzustände wie Supraleitung und CDWs entstehen.

In einer früheren Studie der SIMES-Gruppe wurden keine CDWs in Nickelaten gefunden, die das Seltene-Erd-Element Neodym enthalten. In dieser jüngsten Studie hat das SIMES-Team jedoch ein anderes Nickelat-Material hergestellt und untersucht, bei dem Neodym durch ein anderes Seltenerd-Element, Lanthan, ersetzt wurde.

"Die Entstehung von CDWs kann sehr empfindlich auf Dinge wie Dehnung oder Unordnung in ihrer Umgebung reagieren, was durch die Verwendung verschiedener Seltenerdelemente eingestellt werden kann", erklärte Matteo Rossi, der die Experimente leitete, während er als Postdoktorand am SLAC forschte.

Das Team führte die Experimente an drei Röntgenlichtquellen durch - der Diamond Light Source in Großbritannien, der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource am SLAC und der Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE. Jede dieser Einrichtungen bot spezielle Werkzeuge für die Untersuchung und das Verständnis des Materials auf grundlegender Ebene. 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, denn normalerweise ist die Dotierung ein wesentlicher Bestandteil, um Materialien zur Supraleitung zu bringen.

Die Tatsache, dass dieses Nickelat im Wesentlichen selbstdotierend ist, unterscheidet es deutlich von den Kupraten, so Lee.

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

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