Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
Diese Arbeit berichtet über die Entdeckung von Bulk-Supraleitung bei Umgebungsdruck im quintuplen, quadratisch-planaren Nickelat , das mittels topotaktischer Reduktion synthetisiert wurde, eine Onset-Übergangstemperatur von etwa 18 K sowie einen supraleitenden Volumenanteil von ~25 % aufweist und damit eine entscheidende Plattform für die Untersuchung des Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung in Nickelaten etabliert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Seit Jahrzehnten ist die bekannteste Familie von Materialien, die Elektrizität ohne jeglichen Widerstand leitet, die der Kupfer auf Basis von Keramiken, bekannt als Cuprate. Diese Materialien können Strom mit perfekter Effizienz bei Temperaturen leiten, die weit über dem absoluten Nullpunkt liegen – eine Eigenschaft, die Wissenschaftler seit den 1980er Jahren fasziniert. Das genaue Verständnis ihrer Funktionsweise war jedoch schwierig, da die nützlichsten Versionen dieser Materialien nur als dünne Schichten existieren oder extremen Drücken benötigen, um zu funktionieren. Diese Einschränkung zwang Forscher dazu, sich auf indirekte Methoden zu verlassen, um sie zu untersuchen, ganz so, als versuche man, das Innere eines Hauses zu verstehen, indem man nur auf das Dach blickt. Um dieses Rätsel zu lösen, suchten Wissenschaftler nach einer neuen Familie von Materialien, die sich wie die Kupfer-Materialien verhalten, aber leichter zu untersuchen sind. Sie richteten ihre Aufmerksamkeit auf Nickel-Oxide, die eine ähnliche chemische Struktur und ein ähnliches elektronisches Umfeld wie die Kupfer-Materialien aufweisen. Obwohl Nickel-basierte Supraleiter vor kurzem entdeckt wurden, steckten auch diese in derselben Falle: Sie funktionierten ebenfalls nur in dünnen Schichten oder unter extremem Druck, wodurch der Großteil des Materials in einem nicht-supraleitenden Zustand verblieb.
Einem Team von Forschern ist es nun gelungen, diese Barriere zu durchbrechen, indem sie ein Stück eines Nickel-basierten Materials herstellten, das bei normalem atmosphärischem Druck Elektrizität ohne Widerstand leitet. Die Wissenschaftler begannen mit einer spezifischen Nickelverbindung, einer fünfschichtigen Kristallstruktur, die sich natürlich unter hoher Hitze und hohem Druck bildet. Dieses Ausgangsmaterial war ein metallischer Leiter, aber es war noch kein Supraleiter. Um es zu transformieren, führten die Forscher eine delikate chemische Operation durch. Sie platzierten die Kristalle in einer versiegelten Umgebung mit einem chemischen Agens, das wie ein Schwamm wirkt und gezielt Sauerstoffatome von der Oberfläche und aus dem Inneren des Kristalls aufsaugt. Dieser Prozess, bekannt als topotaktische Reaktion, entfernte gerade genug Sauerstoff, um die Anordnung der Atome innerhalb des Materials zu verändern, ohne das Kristallgitter aufzubrechen. Das Ergebnis war eine neue Version des Materials, bei der die Nickelatome in flachen, quadratähnlichen Ebenen sitzen – eine Struktur, die theoretische Modelle schon lange als ideal für Supraleitung vorhergesagt hatten.
Als die Forscher dieses neue Material testeten, stellten sie fest, dass es bei einer Temperatur von etwa 18 Kelvin begann, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten, was etwa 255 Grad unter dem Gefrierpunkt auf der Celsius-Skala entspricht. Dies war nicht nur ein Oberflächeneffekt; das Material verhielt sich im gesamten Volumen wie ein echter Supraleiter. Um dies zu bestätigen, maß das Team, wie das Material auf Magnetfelder reagierte. Sie beobachteten, dass das Material Magnetfelder aktiv von sich selbst wegdrückte, ein Kennzeichen der Supraleitung, und dass es in der Lage war, magnetische Kraftlinien innerhalb seiner Struktur einzufangen, was ein Zeichen dafür ist, dass es elektrische Ströme ohne Energieverlust führt. Sie maßen auch die Wärmekapazität des Materials, die einen deutlichen Sprung an genau der Temperatur zeigte, bei der der elektrische Widerstand verschwand. Dieser Sprung ist ein definitives thermodynamisches Merkmal dafür, dass ein großer Teil des Materials in einen supraleitenden Zustand übergegangen war.
Die Studie ergab, dass der Erfolg dieser Transformation vollständig von der Präzision abhing. Wenn die chemische Behandlung zu schwach war, blieb das Material ein normaler Metallleiter mit einigen ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften. Wenn die Behandlung zu stark war, verwandelte sich das Material in einen Isolator, der Elektrizität vollständig blockierte. Nur innerhalb eines sehr engen Fensters der chemischen Anpassung trat der supraleitende Zustand auf. Die Forscher schätzten, dass etwa ein Viertel des Materials in ihrer Probe supraleitend war, während der Rest in einem normalen Zustand verblieb, was wahrscheinlich auf winzige Risse oder leichte Variationen in der chemischen Zusammensetzung zurückzuführen ist. Dennoch ist die Entdeckung bedeutend, da sie die erste massive Probe eines Nickel-basierten Supraleiters liefert, der bei normalem Druck funktioniert. Dies öffnet die Tür für Wissenschaftler, um leistungsstarke Werkzeuge wie Neutronenstreuung und fortschrittliche Bildgebung einzusetzen, um direkt in das Material zu blicken und potenziell die Geheimnisse der Hochtemperatur-Supraleitung zu entschlülüsseln, die jahrelang verborgen geblieben sind.
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