Lovende ny klasse af høje temperatur superledere opnår stabilitet ved værelsestrykket

Forskere har taget et betydeligt skridt i studiet af en ny klasse af høje temperatur superledere: at skabe superledere, der arbejder ved værelsespres. Dette fremskridt lægger grundlaget for dybere udforskning af disse materialer, hvilket bringer os tættere på applikationer i den virkelige verden, såsom tabsfri strømnet og avancerede kvanteteknologier.

Superkonduktivitet, visse materialers evne til at udføre elektricitet med nul modstand, forekommer typisk ved ekstremt lave temperaturer eller i nogle tilfælde under højt tryk. I årtier har forskere fokuseret på en klasse af materialer kaldet Cuprates, der er kendt for deres evne til at opnå superledelse ved relativt høje temperaturer.

For cirka fem år siden opdagede et team af forskere ved Institut for Energis SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University superledelse i nikkelater, materialer, der kemisk ligner cuprates – og sidste sommer rapporterede en anden gruppe af forskere superledelse i en ny klasse af nikkeloxider på Temperaturer, der kan sammenlignes med cuprates.

Imidlertid kræver disse materialer ekstreme pres for at stabilisere deres superledende tilstand. Sådanne forhold kunne kun opnås ved hjælp af Diamond Anvil -celler, specialudstyr, der gør udbredte undersøgelse og praktiske anvendelser udfordrende.

Nu har Stanford og SLAC-teamet, ledet af Harold Hwang, direktør for Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), fokuseret på vækstteknikker til tyndfilm. I stedet for at anvende eksternt tryk brugte de substrater – materialer, der understøtter de tynde film, men også tilføjer laterale eller sidelæns, komprimering, hvilket tvang nikkelatets atomstruktur til at justere under vækst.

Deres tilgang lykkedes at stabilisere superledningsevne i disse materialer ved rumtryk for første gang. Resultaterne offentliggøres i Natur.

Forskerne observerede, at materialets superledende overgangstemperatur varierede fra -247 ° C til -231 ° C afhængigt af niveauet af trykstamme. Mens materialet kommer ind i den superledende fase ved disse temperaturer, begrænser defekter i nikkelatet og iltatomforholdet realiseringen af ​​en ægte nulbestandighedstilstand, som kun blev opnået ved temperaturer så lavt som -271 ° C. Denne opdagelse giver en lovende vej til yderligere optimering.

At studere superledere under højt tryk begrænser brugen af ​​avancerede teknikker, såsom røntgenstrålespredning, der kæmper for at trænge ind i de tykke diamantceller, der bruges i højtrykseksperimenter. Ved at stabilisere nikkelater ved værelsestryk kan forskere nu bruge disse værktøjer til at undersøge materialets egenskaber mere detaljeret.

“Betydningen af ​​denne forskning ligger i dets potentiale for at udvide vores forståelse af høje temperatur superledere,” sagde Hwang. “Ved at overvinde begrænsningerne i højtryksbegrænsninger har vi nu værktøjerne til at gennemføre omfattende undersøgelser, der tidligere var uden for rækkevidde. Dette arbejde er begyndelsen på en meget bredere undersøgelse af disse nye materialer.”

Ud over dets eksperimentelle implikationer udfordrer denne opdagelse langvarige antagelser om, hvordan superledelse fungerer. Holdet demonstrerede, at lateral komprimering fra substrater kan stabilisere materialet, selvom det adskiller sig fra den ensartede komprimering opnået ved at presse det jævnt fra alle retninger, svarende til det, der er produceret af en diamant Anvil -celle. Denne konstatering giver ny indsigt i rollen som atomafstand i opnåelsen af ​​superledelse.

For at følge op planlægger forskerne at forfine materialets krystallinske kvalitet og udforske dopingstrategier, som involverer at tilføje små mængder af andre elementer for at ændre dets elektroniske egenskaber. Disse bestræbelser sigter mod bedre at forstå mekanismerne bag superledelse i nikkelater og identificere måder at forbedre deres præstation på.