High-temperature superconductivity in Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ membranes under pressure

In dieser Studie wird eine neue Methode vorgestellt, bei der freistehende Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$-Membranen in einer Diamantstempelzelle untersucht werden, wodurch sich die Sprungtemperatur der Supraleitung unter Druck bis zu 90 GPa linear und ohne Sättigung auf nahezu 77 K erhöht.

Das Wesentliche

Das große Ziel: Strom ohne Widerstand bei höheren Temperaturen

Stellen Sie sich vor, Elektrizität ist wie ein Fluss von Autos auf einer Autobahn. Normalerweise gibt es Staus und Unfälle (das nennen Physiker „Widerstand"), die Energie verschwenden und die Autos (die Elektronen) abbremsen.

Supraleitung ist wie eine magische Autobahn, auf der die Autos unendlich schnell und ohne jeden Stau fahren können. Das Problem: Diese magische Autobahn funktioniert bisher nur bei extrem kalten Temperaturen, fast so kalt wie der Weltraum. Man muss die Autos in einen riesigen, teuren Kühlschrank legen.

Forscher suchen seit Jahren nach Materialien, die diese magische Autobahn auch bei wärmeren Temperaturen (z. B. bei Raumtemperatur oder zumindest bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff) anbieten. Ein vielversprechender Kandidat sind Materialien auf Nickel-Basis, die sogenannten Nickelate.

Das Problem: Der „Kleber", der nicht mitmacht

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler diese Nickelate-Materialien wie dünne Filme auf einem festen Untergrund (einem Substrat) gezüchtet. Das ist wie ein Teppich, der fest auf einem Holzboden verklebt ist.

Um die Supraleitung zu verbessern, wollten sie den Teppich zusammenpressen (Druck ausüben), damit die Autos noch schneller fahren. Aber hier gab es ein Problem:

1. Wenn man zu viel Druck auf den Teppich ausübt, reißt der Kleber oder der Holzboden bricht.
2. Man konnte den Druck nicht hoch genug steigern, um zu sehen, wie weit es wirklich gehen kann.

Die Lösung: Der Teppich wird zum „Schwebenden"

In dieser neuen Studie haben die Forscher (eine Gruppe aus Stanford und anderen Instituten) einen genialen Trick angewendet:

Sie haben den „Teppich" (den Nickelat-Film) komplett vom „Holzboden" gelöst. Sie haben eine spezielle Technik entwickelt, um eine hauchdünne, freistehende Membran herzustellen.

Stellen Sie sich das so vor:

• Statt den Teppich auf den Boden zu kleben, haben sie ihn in die Luft gehoben und auf eine winzige, durchsichtige Plattform (einen Diamant) gelegt.
• Jetzt ist der Teppich frei beweglich. Er ist nicht mehr an einen starren Boden gebunden.

Der Experiment: Der Diamant-Druck

Mit dieser freien Membran haben sie ein Gerät namens Diamantstempelzelle (Diamond Anvil Cell) benutzt.

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie nehmen zwei winzige, extrem harte Diamant-Spitzen und drücken eine hauchdünne Schicht des Materials zwischen sich zusammen.
• Da das Material jetzt frei schwebt und nicht an einem Untergrund klebt, können die Diamanten einen enormen Druck ausüben – so viel Druck, wie man ihn tief im Erdinneren findet (fast 100-mal so viel Druck wie in der Tiefsee!).

Was haben sie entdeckt?

Das Ergebnis ist fast unglaublich:

1. Je mehr Druck, desto besser: Je stärker sie die Membran zusammengepresst haben, desto wärmer wurde die Temperatur, bei der sie supraleitend wurde.
2. Kein Stopp: Bei anderen Materialien (wie Kupfer-Oxid-Keramiken) hört die Verbesserung irgendwann auf oder wird sogar schlechter, wenn man zu viel Druck ausübt (wie ein Gummiband, das reißt). Bei diesen Nickelaten passierte das nicht.
3. Der Rekord: Bei einem Druck von fast 90 Gigapascal (das ist extrem viel!) stieg die Temperatur, bei der der Supraleiter funktioniert, auf etwa 74 Grad über dem absoluten Nullpunkt (ca. -199 °C). Das ist zwar immer noch kalt, aber für Supraleiter ein riesiger Sprung von den ursprünglichen 15 Grad.

Besonders wichtig: Die Kurve war eine gerade Linie. Das bedeutet, es gibt keine sichtbare Grenze. Wenn man noch mehr Druck hätte aufbauen können (die Diamanten sind an ihre mechanische Grenze gestoßen, nicht das Material), wäre die Temperatur wahrscheinlich noch weiter gestiegen.

Warum ist das wichtig?

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Auto, das normalerweise nur bei -200 °C fährt. Durch das „Zusammenpressen" haben Sie es geschafft, dass es schon bei -199 °C fährt. Und das Beste: Es sieht so aus, als ob Sie das Auto noch weiter „optimieren" könnten, indem Sie es noch fester zusammenpressen.

Die Forscher sagen: „Wir haben eine neue Methode gefunden, die nicht nur für Nickelate, sondern für viele andere dünne, zweidimensionale Materialien funktioniert."

Zusammengefasst:
Sie haben einen „geklebten" Supraleiter befreit, ihn zwischen zwei Diamanten extrem stark gequetscht und dabei herausgefunden, dass er bei viel wärmeren Temperaturen funktioniert als je zuvor – und es gibt keine Anzeichen dafür, dass dieser Effekt bald aufhört. Das ist ein riesiger Schritt auf dem Weg zu Supraleitern, die wir im Alltag nutzen könnten.

Technische Zusammenfassung

Titel: Hochtemperatur-Supraleitung in Nd0.85Sr0.15NiO2-Membranen unter Druck

1. Problemstellung und Hintergrund

Seit der Entdeckung der Supraleitung in unendlich geschichteten Nickelaten (infinite-layer nickelates) ist bekannt, dass die Gitterkompression ein entscheidender Parameter zur Steuerung der Supraleitung ist. Bisherige Fortschritte bei der Erhöhung der Sprungtemperatur ($T_c$) beruhten auf epitaxialer Stauchung in dünnen Schichten oder chemischem Druck durch den Austausch von Seltenerd-Ionen. Diese Ansätze stießen jedoch an physikalische Grenzen:

• Die Stabilität epitaxialer Schichten ist begrenzt.
• Herkömmliche Hochdruckexperimente mit dünnen Schichten scheiterten oft an der mechanischen Instabilität der Substrate bei Drücken über ~12 GPa.
• Es bestand die offene Frage, ob die durch Gitterkontraktion getriebene Erhöhung von $T_c$ eine intrinsische Obergrenze hat und ob diese über den in dünnen Schichten erreichbaren Bereich hinausgeht.

2. Methodik

Um diese Grenzen zu überwinden, entwickelten die Autoren eine neuartige Plattform, die es ermöglicht, freistehende (substratfreie) Nickelat-Membranen in eine Diamantstempelzelle (Diamond Anvil Cell, DAC) zu integrieren.

• Probenpräparation: Optimal dotierte $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$-Dünnschichten (~6,7 nm) wurden mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) und topotaktischer Reduktion synthetisiert.
• Freistellung: Die Schichten wurden mit einer wasserlöslichen Opferschicht und Schutzschichten aus $SrTiO_3$ versehen. Durch Auflösen der Opferschicht wurden freistehende Membranen erhalten, die auf einem Polymerträger fixiert waren.
• Integration in den DAC: Die Membranen wurden direkt auf den Culet (die flache Spitze) eines Diamanten übertragen. Elektrische Kontakte wurden in einer Van-der-Pauw-Geometrie hergestellt, indem die Isolatorschichten lokal mittels Ionenstrahlätzen entfernt und Ti/Au-Kontakte aufgedampft wurden.
• Messung: Die Proben wurden in einer DAC mit einem Metallgestell (isoliert durch kubisches Bornitrid, cBN) und Silikonöl als Druckübertragungsmedium (PTM) montiert. Der Druck wurde bis zu einem Maximum von ~91,5 GPa gesteigert. Die Sprungtemperatur wurde als Widerstandsmessung ($R(T)$) bestimmt.

3. Wichtige Beiträge und Ergebnisse

• Erreichung extremer Drücke: Die Methode ermöglichte erstmals elektrische Transportmessungen an unendlich geschichteten Nickelaten bei Drücken von bis zu ~91,5 GPa, weit über den bisherigen Grenzen von ~12 GPa bei substratgebundenen Proben.
• Lineare und nicht-sättigende Steigerung von $T_c$:
  • Bei Umgebungsdruck lag $T_c$ bei ca. 17 K.
  • Mit steigendem Druck stieg $T_c$ kontinuierlich und monoton an.
  • Bei dem höchsten gemessenen Druck von 91,5 GPa wurde eine Sprungtemperatur von **74,2 K** (Onset-Temperatur) erreicht.
  • Kernbefund: Die Steigerung folgt einer einfachen linearen Beziehung mit einer Rate von 0,65 K pro GPa. Im Gegensatz zu anderen Supraleitern (wie Kupraten oder bilayer Nickelaten) zeigte sich kein Anzeichen einer Sättigung oder eines Abfalls der $T_c$ selbst bei diesen extremen Drücken.
• Magnetische Eigenschaften: Messungen unter Magnetfeldern (bis 13 T) bei 71,8 GPa ($T_c \approx 64$ K) bestätigten das Verhalten als Typ-II-Supraleiter. Die obere kritische Feldstärke ($H_{c2}$) nahm zu, und die in-plane Kohärenzlänge ($\xi_{ab}$) verringerte sich von ~2,39 nm auf ~1,54 nm, was auf eine Stärkung des supraleitenden Zustands hindeutet.
• Vergleich mit anderen Materialien: Im Gegensatz zu Kupraten und dem bilayer Nickelat $La_3Ni_2O_7$, bei denen $T_c$ bei hohen Drücken typischerweise abfällt (oft aufgrund von Überdotierungseffekten), zeigt das $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ ein einzigartiges Verhalten ohne Sättigung.

4. Bedeutung und Schlussfolgerung

• Fundamentales Verständnis: Die Ergebnisse widerlegen theoretische Modelle, die eine Sättigung oder einen Abfall von $T_c$ bei hohen Drücken aufgrund von Selbst-Dotierungseffekten vorhersagten. Stattdessen deutet die lineare Steigerung darauf hin, dass die Paarungsstärke in unendlich geschichteten Nickelaten auf ein überraschend hohes Niveau angehoben werden kann.
• Technologische Implikationen: Die entwickelte Technik der Integration freistehender 2D-Membranen in DACs ist nicht nur für Nickelate relevant, sondern stellt eine allgemein anwendbare Methode dar, um Hochdruckstudien an einer breiten Klasse von zweidimensionalen Materialien durchzuführen, die zuvor aufgrund von Substratproblemen nicht zugänglich waren.
• Potenzial: Da bei ~90 GPa noch keine Sättigung erkennbar ist, besteht die Möglichkeit, dass $T_c$ in diesen Materialien noch weiter gesteigert werden kann, was neue Wege zur Erforschung von Hochtemperatursupraleitung eröffnet.

Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass durch die Überwindung der mechanischen Grenzen von Substraten mittels freistehender Membranen die intrinsischen Grenzen der Supraleitung in Nickelaten neu definiert werden können, mit einem linearen Anstieg der Sprungtemperatur, der weit über das bisher Erreichte hinausgeht.