Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

Seit Jahrzehnten jagen Physiker einer ganz speziellen Art elektrischer Magie nach: der Fähigkeit von Elektrizität, durch ein Material mit absolut null Widerstand zu fließen. Dieses Phänomen, bekannt als Supraleitung, erfordert normalerweise das Kühlen von Materialien auf Temperaturen, die so kalt sind, dass sie kaum über dem absoluten Nullpunkt liegen. Diese Entdeckung wurde durch eine Familie von Materialien namens Kupraten, die Kupfer enthalten, gebrochen, indem sie bei viel höheren, handhabbareren Temperaturen supraleitend wurden. Diese Entdeckung löste eine jahrzehntelange Suche nach anderen Familien von Materialien aus, die dasselbe tun könnten, in der Hoffnung, dass das Verständnis dieser Materialien das geheime Wirkprinzip hinter der Hochtemperatur-Supraleitung enthüllen würde. Ein vielversprechender Kandidat tauchte in Form von Nickelaten auf, Materialien, die Nickel enthalten und strukturell den kupferbasierten Kupraten sehr ähnlich sehen. Als Wissenschaftler Dünnschichten dieser Nickelate herstellten und sie mit einem spezifischen Element dotierten, beobachteten sie erfolgreich Supraleitung. Dennoch entstand ein rätselhafter Widerspruch: Als andere Teams versuchten, exakt dasselbe Material in großen, massiven Stücken (Bulk) statt als Dünnschichten herzustellen, verschwand die Supraleitung vollständig.

Dieses Rätsel veranlasste ein Forschungsteam dazu, zu untersuchen, warum die Massenproben scheiterten, während die Dünnschichten erfolgreich waren. Sie schlugen vor, dass der Unterschied nicht auf das Substrat oder die Grenzfläche zurückzuführen sei, auf der die Dünnschicht sitzt, wie einige spekuliert hatten, sondern vielmehr auf winzige Unvollkommenheiten, die der Synthese der Massenproben eigen sind. Durch eine Kombination aus magnetischer Modellierung und Computersimulationen entdeckte das Team, dass die Massenproben mikroskopische Inseln aus reinem Nickelmetall enthalten, die sich neben dem Hauptmaterial bilden. Da reines Nickel magnetisch ist, wirken diese winzigen Inseln wie kleine Magnete, die in der Probe verstreut sind. Die Forscher berechneten, dass das von diesen Clustern erzeugte Magnetfeld stark genug ist, um den empfindlichen Zustand zu stören, der für die Supraleitung erforderlich ist, und die Supraleitung effektiv zu vernichten, noch bevor sie überhaupt beginnen kann.

Die Untersuchung begann damit, eine langjährige Debatte über die Rolle der Oberfläche zu adressieren, auf der die Dünnschichten gewachsen sind. Einige Wissenschaftler hatten suggeriert, dass die Supraleitung in Dünnschichten ein Grenzflächenphänomen sei, was bedeutet, dass sie nur dort auftritt, wo das Material das Substrat berührt. Die Autoren merkten jedoch an, dass Experimente zur Messung der Verdrängung magnetischer Felder bestätigten, dass das Substrat nicht direkt an dem supraleitenden Mechanismus teilnimmt. Stattdessen verlagerte sich der Fokus auf die interne Qualität des Materials selbst. Es war zuvor berichtet worden, dass Massenproben dieser Nickelate unter einem Mangel an Nickelatomen in bestimmten Bereichen leiden, und dass die fehlenden Nickelatome nicht einfach verschwinden. Stattdessen klumpen sie zusammen, um distinkte Cluster zu bilden, von denen einige so groß wie wenige Mikrometer sind, die zwischen den Körnern des Hauptmaterials gefangen bleiben.

Um die Auswirkungen dieser Cluster zu verstehen, behandelten die Forscher sie als winzige Ferromagnete, da Nickel ein magnetisches Metall ist. Sie schätzten die Größe dieser Cluster auf einen Radius von etwa einem Mikrometer und berechneten das Magnetfeld, das sie erzeugen würden. Unter Verwendung zweier verschiedener physikalischer Modelle zur Beschreibung, wie sich diese Magnetfelder verhalten, fanden sie heraus, dass das Magnetfeld selbst in einer Entfernung von zehn Mikrometern von einem Cluster stark bleibt und Werte im Bereich von Millitesla erreicht. Dies ist ein entscheidender Befund, da die Schwelle, bei der die Supraleitung in diesen Materialien zusammenbricht, extrem niedrig liegt und mit nur 0,79 Millitesla angegeben wird. Die von den Nickelclustern erzeugten Magnetfelder sind um Größenordnungen stärker als dieser Grenzwert, was bedeutet, dass diese Cluster, falls sie vorhanden sind, eine magnetische Umgebung schaffen, die der Supraleitung feindlich gegenübersteht und das Material daran hindert, diesen Zustand überhaupt einzunehmen.

In einer parallelen Untersuchung nutzte das Team Computersimulationen, um zu untersuchen, wie sich das Fehlen von Nickelatomen auf die elektronische Struktur des Materials auswirkt. Sie modellierten das Material mit variierenden Graden an Nickeldefizit und fanden heraus, dass die fehlenden Atome die Bedeutung eines spezifischen Elektronenorbitals, bekannt als Ni 3dx2−y2-Orbital, auf dem Energieniveau verringern, auf dem die Supraleitung stattfindet. Dieses Orbital gilt als essenziell für das supraleitende Verhalten in diesen Materialien. Wenn sein Einfluss durch die Anwesenheit von nickelarmen Regionen abgeschwächt wird, verliert das Material eine Schlüsselkomponente, die für das Auftreten des Phänomens notwendig ist. Dies deutet darauf hin, dass selbst wenn die magnetischen Cluster entfernt würden, die chemischen Unvollkommenheiten in den Massenproben die Bildung eines supraleitenden Zustands immer noch behindern würden.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass das Fehlen der Supraleitung in den unendlichen Schicht-Nickelaten wahrscheinlich auf eine Kombination dieser beiden Faktoren zurückzuführen ist. Die nickelarmen Regionen verändern die elektronische Landschaft in einer Weise, die für die Supraleitung nachteilig ist, während die Nickelatome, die sich in Clustern gesammelt haben, Magnetfelder erzeugen, die stark genug sind, um den supraleitenden Zustand vollständig zu zerstören. Diese Unvollkommenheiten scheinen eine spezifische Folge der aktuellen chemischen Methoden zu sein, die zur Synthese von Massenproben verwendet werden, welche sich von den Techniken unterscheiden, mit denen die erfolgreichen Dünnschichten hergestellt wurden. Die Forscher schlagen vor, dass es möglich sein könnte, Supraleitung in massiven Nickelat-Proben zu beobachten, falls zukünftige Synthesemethoden in der Lage sind, diese Nickelcluster zu eliminieren und das Nickeldefizit zu korrigieren, wodurch das Rätsel gelöst würde, warum die dicken Proben geschwiegen haben, während die Dünnschichten sangen.