$d$-wave superconductivity in quintuple-layer bulk superconductor La$_6$Ni$_5$O$_{12}$

Supraleitung ist ein Materiezustand, in dem Elektrizität ohne jeglichen Widerstand fließt, ein Phänomen, das normalerweise Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erfordert. Jahrzehntelang waren Wissenschaftler von einer speziellen Familie von Materialien namens Kupraten fasziniert, die aus Kupfer und Sauerstoff bestehen, da sie bei vergleichsweise höheren Temperaturen supraleitend werden können. Kürzlich entdeckten Forscher eine neue Familie von Supraleitern auf Nickelbasis statt auf Kupferbasis. Diese Nickel-basierten Materialien, bekannt als reduzierte Ruddlesden-Popper-Nickelate, besitzen eine ähnliche Schichtstruktur wie die Kuprate, bieten aber ein neues Spielfeld, um zu verstehen, wie diese exotischen Materialien funktionieren. Das zentrale Rätsel auf diesem Gebiet ist die Bestimmung der „Paarungssymmetrie“ der Elektronen. In einem Supraleiter paaren sich Elektronen, um sich frei zu bewegen; die Form der Wellenfunktion dieses Paares – ob sie wie eine Kugel, eine Hantel oder etwas anderes aussieht – bestimmt die Eigenschaften des Materials und wie es in der Zukunft genutzt werden kann. Während dünne Schichten dieser Nickelate vielversprechend waren, sind sie mit Standardwerkzeugen schwer zu untersuchen, da sie zu dünn sind. Die jüngste Entdeckung einer Bulk- oder Massivversion eines spezifischen fünfschichtigen Nickel-Verbindungsstoffes hat eine neue Tür geöffnet, die es Wissenschaftlern ermöglicht, das Innenleben dieser Materialien mit derselben Präzision zu untersuchen, die bei traditionellen Supraleitern angewendet wird.

Ein Team von Forschern hat nun fortschrittliche Computersimulationen eingesetzt, um dieses neue fünfschichtige Material, bekannt als $\text{La}_6\text{Ni}_5\text{O}_{12}$, zu untersuchen. Durch den Aufbau eines detaillierten mathematischen Modells der atomaren Struktur des Materials und das Durchführen von Millionen von Berechnungen, um den stabilsten Zustand zu finden, entdeckten sie, dass sich die Elektronen in dieser Verbindung in einem spezifischen Muster, dem sogenannten d-Wellen-Muster, paaren. Dieses Muster ist die gleiche Art der Paarung, die auch in den berühmten kupferbasierten Supraleitern vorkommt, was auf eine tiefe Verbindung zwischen den beiden Familien von Materialien hindeutet. Die Forscher schlossen eine andere häufige Möglichkeit, einen erweiterten s-Wellen-Zustand, explizit aus, da sie feststellten, dass dieser viel zu schwach wäre, um die wahre Natur der Supraleitung in diesem System zu sein. Ihre Simulationen deuten darauf hin, dass das Material ein „nodaler“ (knotiger) Supraleiter ist, was bedeutet, dass die Energielücke, die die Elektronenpaare schützt, nicht gleichmäßig ist, sondern spezifische Punkte besitzt, an denen sie auf Null abfällt, wodurch bestimmte niederenergetische Anregungen existieren können.

Um ihre Ergebnisse für reale Experimente nutzbar zu machen, übersetzte das Team ihr theoretisches Modell in Vorhersagen für Messungen, die in einem Labor durchgeführt werden können. Sie berechneten, was passieren würde, wenn Wissenschaftler die Zustandsdichte messen würden, was im Wesentlichen eine Zählung der verfügbaren Elektronenenergieniveaus bei verschiedenen Energien ist. Ihre Ergebnisse sagen eine ausgeprägte V-förmige Senke bei niedrigen Energien voraus, eine Signatur, die in Tunnel-Experimenten deutlich sichtbar wäre. Sie sagten auch voraus, wie das Material auf Magnetfelder und Temperaturänderungen reagieren würde. Speziell fanden sie heraus, dass die Supraleitfähigkeit (Superfluid-Dichte), die misst, wie viele Elektronen am supraleitenden Fluss teilnehmen, mit steigender Temperatur von absolutem Null an geradlinig abnimmt. Darüber hinaus sagten sie, dass die Kern-Spin-Gitter-Relaxationsrate – ein Maß dafür, wie schnell Atomkerne ihre magnetische Ausrichtung verlieren – einer spezifischen mathematischen Kurve proportional zum Quadrat der Temperatur folgen würde. Diese kombinierten Signaturen bilden einen konsistenten Fingerabdruck eines sauberen nodalen Supraleiters und bieten eine klare Checkliste für Experimentalisten, um die Theorie zu verifizieren.

Die Forscher hielten nicht bei nur diesem einen Material an; sie wandten denselben analytischen Rahmen auf andere Mitglieder der Nickelat-Familie an, um zu sehen, ob dieses d-Wellen-Verhalten einzigartig oder verbreitet war. Als sie die Infinite-Layer-Version des Materials untersuchten, die aus einer einzigen sich wiederholenden Schicht besteht, deuteten ihre Simulationen ebenfalls stark auf einen d-Wellen-Paarungszustand hin. Als sie jedoch eine Drei-Schicht-Version der Verbindung untersuchten, waren die Ergebnisse ambivalenter. Das Drei-Schicht-Material schien sich genau auf einer Grenze zwischen einem Supraleiter und einem Nicht-Supraleiter zu befinden, was darauf hindeutet, dass seine supraleitenden Eigenschaften sehr empfindlich auf kleine Änderungen in seiner Zusammensetzung reagieren könnten. Dieser Vergleich verdeutlicht, dass der Hang zur Bildung von d-Wellen-Paaren zwar ein gemeinsamer Nenner in der gesamten Familie zu sein scheint, die Stärke der Supraleitung jedoch stark von der Anzahl der Schichten und der Konzentration der Ladungsträger abhängt.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in der Tatsache, dass das fünfschichtige Material ein Bulk-Kristall ist, was bedeutet, dass er dick genug ist, um mit leistungsstarken Werkzeugen wie der Kernspinresonanz und Messungen der Eindringtiefe untersucht zu werden, die bei den dünnen Schichten, auf die sich die bisherige Forschung konzentrierte, unmöglich sind. Indem sie eine robuste theoretische Vorhersage darüber lieferten, was diese Bulk-Experimente zeigen sollten, etabliert die Studie dieses Material als eine entscheidende Plattform, um die Frage der Paarungssymmetrie in Nickelat-Supraleitern endlich zu klären. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Physik, die diese neuen Nickel-basierten Supraleiter steuert, sehr ähnlich zu der der älteren kupferbasierten ist, getrieben durch dieselben zugrunde liegenden Mechanismen. Diese Erkenntnis hilft nicht nur dabei, die Natur der aktuellen Materialien zu klären, sondern bietet auch eine Roadmap für das Verständnis, wie man die Supraleitfähigkeit in verwandten Verbindungen, wie der Drei-Schicht-Version, durch die Anpassung ihrer Elektronenanzahl potenziell verbessern kann.