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Enhanced and robust superconductivity in La0.8Sr0.2NiO2 membranes compressed up to 210 GPa

Diese Studie zeigt, dass die Supraleitfähigkeit in freistehenden La0,8Sr0,2NiO2-Membranen unter ultrahohen Drücken bis zu 210 GPa robust bleibt und eine glockenförmige Entwicklung der Übergangstemperatur aufweist, die bei 74,5 K ihren Höhepunkt erreicht – ein Phänomen, das bei Hoch-Tc-Oxidsupraleitern beispiellos ist.

Ursprüngliche Autoren: Liling Sun, Shu Cai, Yuqing Tian, Shengjun Yan, Jinyu Zhao, Bo Hao, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Yang Ding, Qi Wu, Ho-Kwang Mao, Ivan Božović, Yuefeng Nie

Veröffentlicht 2026-08-06

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Liling Sun, Shu Cai, Yuqing Tian, Shengjun Yan, Jinyu Zhao, Bo Hao, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Yang Ding, Qi Wu, Ho-Kwang Mao, Ivan Božović, Yuefeng Nie

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://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

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Elektrizität ohne jeglichen Widerstand fließt, wie ein Geist, der durch eine Wand gleitet, ohne jemals anzustoßen. Dieser magische Zustand wird Supraleitung genannt und ist der heilige Gral für Wissenschaftler, die versuchen, schnellere Computer, leistungsstarke Magnete und Energienetze zu bauen, die keine Energie verschwenden. Jahrzehntelang waren die Champions dieser Welt Materialien aus Kupfer und Sauerstoff (genannt Kuprate). Doch vor kurzem ist ein neuer Herausforderer in den Ring getreten: eine Familie von Materialien, die aus Nickel statt Kupfer bestehen. Diese „Nickelate“ sehen ihren Kupfer-Cousins sehr ähnlich und verhalten sich auch so, was einen frischen Hinweis darauf liefert, wie die Supraleitung funktioniert.

Es gibt jedoch einen Haken. Um diese Materialien wirklich testen zu können, müssen Wissenschaftler sie mit unglaublicher Kraft zusammenpressen, was den erdrückenden Druck nachahmt, der tief im Inneren von Planeten herrscht. Normalerweise sind diese Materialien auf eine dicke, starre Unterlage (ein Substrat) geklebt, die bricht oder im Weg steht, wenn man versucht, sie so stark zu quetschen. Es ist, als würde man versuchen, die Festigkeit eines Gummibands zu testen, während es noch auf einen schweren Holzblock geklebt ist. Um dieses Problem zu umgehen, haben Forscher kürzlich gelernt, diese Materialien von ihrer Unterlage abzuziehen, wodurch winzige, freistehende „Membranen“ entstehen, die frei gequetscht werden können. Die große Frage war: Wenn man diese Nickel-Membranen immer fester und fester zusammendrückt, werden sie immer besser darin, supraleitend zu werden, oder werden sie irgendwann nachgeben und aufgeben?

Dieses Paper erzählt die Geschichte dessen, was geschah, als Wissenschaftler eine freistehende Membran aus einem speziellen Nickelmaterial (La0,8Sr0,2NiO2) nahmen und sie mit den leistungsstärksten Druckmaschinen, die verfügbar sind, zusammendrückten. Sie erhöhten den Druck auf sagenhafte 210 GPa (das sind 2,1 Millionen Mal der Druck der Erdatmosphäre!). Die Ergebnisse waren überraschend und robust. Anstatt aufzugeben, wurde die Fähigkeit des Materials zur Superleitung stärker, während der Druck zunahm.

Hier ist, was sie herausfanden:

Der Aufstieg: Bei normalem Luftdruck begann das Material bei etwa 16 K (einer sehr kalten Temperatur von -257 °C) supraleitend zu werden. Während sie es zusammendrückten, stieg diese Temperatur kontinuierlich an. Als sie 146 GPa erreichten, war das Material bei einer Spitzentemperatur von 74,5 K supraleitend.
Der Gipfel und der Abfall: Nachdem dieser Höhepunkt erreicht war, begann die Temperatur langsam wieder zu sinken, während sie noch stärker drückten. Aber selbst bei dem extremen Druck von 210 GPa war das Material immer noch mit beeindruckenden 57,4 K supraleitend.
Der Vergleich: Dies ist ein rekordverdächtiges Maß an Zähigkeit. Die meisten anderen Hochtemperatur-Supraleiter (wie die berühmten kupferbasierten) hören auf zu funktionieren oder verlieren ihre supraleitende Kraft, sobald der Druck zu hoch wird (oft um 20 bis 40 GPa). Diese Nickel-Membran hingegen blieb die ganze Zeit über bis 210 GPa stark.

Die Forscher überprüften auch, ob dies nicht nur ein Artefakt der Messung war. Sie bestätigten, dass der „Beginn“ (Onset) der Supraleitung nicht einfach nur unscharf oder breiter wurde, sondern dass die tatsächliche Temperatur, bei der die Magie geschah, wahrhaftig anstieg. Sie verglichen ihre Ergebnisse mit einem ähnlichen Nickelmaterial, das aus einem anderen Element (Neodym) besteht, und obwohl dieses früher seinen Höhepunkt erreichte und aufhörte zu steigen, zeigten beide Materialien, dass die Nickelschichten die wahren Helden der Show sind und nicht die anderen Atome, die sie umgeben.

Kurz gesagt zeigt diese Studie, dass die Supraleitung in diesen Nickel-Membranen unglaublich zäh ist. Sie übersteht nicht nur extremen Druck; sie blüht unter ihm auf und erreicht höhere Temperaturen als jemals zuvor in dieser Art von Material gesehen. Dies deutet darauf hin, dass das Geheimnis, diese Materialien besser zu machen, darin liegen könnte, wie wir sie zusammenpressen, was einen neuen Horizont für das Verständnis darüber eröffnet, wie sich diese Quantenmaterialien unter den denkbar extremsten Bedingungen verhalten.

Technisches Resümee: Verstärkte und robuste Supraleitung in La₀,₈Sr₀,₂NiO₂-Membranen unter Kompression bis zu 210 GPa

Problemstellung
Die Entdeckung der Supraleitung in Infinite-Layer-Nickelat-Dünnschichten hat eine neue Grenze für die Untersuchung unkonventioneller Oxid-Supraleiter eröffnet und zieht signifikante Parallelen zu Kuprat-Systemen. Eine kritische experimentelle Einschränkung behinderte jedoch die Erforschung dieser Materialien unter extremen Bedingungen: Die Anwesenheit dicker Substrate (typischerweise ~500 µm) verhindert Messungen in Diamantstempelzellen (DACs), in denen die Probenlochhöhen im Allgemeinen auf weniger als 50 µm beschränkt sind. Während jüngste Studien an freistehenden Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂-Membranen dieses Problem erfolgreich umgangen haben, indem sie einen linearen Anstieg der supraleitenden Übergangstemperatur ( $T_{c,onset}$ ) bis zu 91,5 GPa ohne Sättigung zeigten, blieben grundlegende Fragen hinsichtlich des Verhaltens von Nickelaten bei noch höheren Drücken offen. Insbesondere war unbekannt, ob die Supraleitung über 100 GPa hinaus bestehen bleibt, ob $T_{c,onset}$ weiter ansteigen würde und wie die Druckantwort von freistehenden Infinite-Layer-Nickelaten mit anderen Hoch- $T_c$ -Oxid-Supraleitern vergleichbar ist, die unter hohem Druck typischerweise eine unterdrückte Supraleitung aufweisen.

Methodik
Um diese Fragen zu adressieren, synthetisierten die Autoren freistehende Einkristall-La₀,₈Sr₀,₂NiO₂-Membranen mittels eines topotaktischen Reduktionsprozesses auf SrTiO₃-gepufferten Substraten. Die Synthese erfolgte durch das Wachstum von La₀,₈Sr₀,₂NiO₃-Perowskitfilmen mit einer wasserlöslichen Sr₄Al₂O₇-Opferschicht, gefolgt von der Reduktion mit CaH₂ zur Bildung der Infinite-Layer-Phase. Die Membranen wurden durch Ätzen der Opferschicht chemisch freigesetzt und mittels eines flexiblen Polymer-Supports und eines hochpräzisen Mikromanipulators auf Diamantambossen transferiert.

Hochdruck-Elektrischer Widerstandsmessungen wurden an drei verschiedenen Membranproben (S#1, S#2, S#3) innerhalb von Diamantstempelzellen durchgeführt, die über Ambosse (Culets) mit Größen von 50 µm bis 110 µm verfügten. Der Druck wurde bis zu einem Maximum von 210 GPa appliziert. Die Studie verwendete Vierpunkt-Widerstandsmessungen mit Goldelektroden, die direkt auf die Membranoberfläche gemustert wurden. Um echte Supraleitungs-Enhancement von einer Übergangsverbreiterung zu unterscheiden, analysierten die Autoren die temperaturabhängige Resistenz ( $R(T)$ ) unter Verwendung zweier Kriterien für $T_{c,onset}$ : dem 0,5 %-Resistenzabfall ( $T_{c,99,5\% R}$ ) und der Zwei-Linien-Schnittmethode ( $T_{c,2 line}$ ). Zusätzlich wurde die Ableitung des Widerstands ($dR/dT$) verwendet, um die mittlere Übergangstemperatur ( $T_{cm}$ ) zu bestimmen. Magnetfeld-Sweeps bis zu 7 T wurden an der komprimierten Probe bei 80 GPa durchgeführt, um die Unterdrückung der Supraleitung zu charakterisieren und das obere kritische Feld ( $H_{c2}$ ) zu bestimmen.

Kernergebnisse
Die Studie zeigt, dass die Supraleitung in freistehenden La₀,₈Sr₀,₂NiO₂-Membranen unter ultrahohen Drücken bis zu 210 GPa persistiert, ein Regime, das für diese Klasse von Materialien bisher unerforscht war. Die Entwicklung der supraleitenden Übergangstemperatur ( $T_{c,onset}$ ) mit dem Druck zeigt ein ausgeprägtes „domartiges“ Verhalten:

Druckbereich 0–146 GPa: $T_{c,onset}$ steigt kontinuierlich von etwa 16 K bei Umgebungsdruck auf ein Maximum von 74,5 K bei 146 GPa an. Der anfängliche Anstieg (unter 60 GPa) ist nahezu linear mit einer Steigung von 0,62 K/GPa.
Druckbereich 146–210 GPa: Jenseits des Peaks sinkt $T_{c,onset}$ allmählich ab, bleibt jedoch bemerkenswert robust. Bei 210 GPa wird der Übergang bei 57,4 K immer noch beobachtet.
Verifizierung: Die Analyse der $dR/dT$-Kurven bestätigte, dass der Anstieg von $T_{c,onset}$ eine echte Verstärkung der Supraleitung widerspiegelt, da auch die mittlere Temperatur ( $T_{cm}$ ) signifikant anstieg (von 13 K bei 15 GPa auf 57 K bei 147 GPa). Magnetfeldmessungen bei 80 GPa bestätigten die systematische Unterdrückung der Supraleitung, was konsistent mit einem echten supraleitenden Zustand ist.

Ein Vergleich mit freistehenden Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂-Membranen zeigt, dass beide Materialien unter 60 GPa eine lineare $T_c$ -Steigerung aufweisen, ihre Verhaltensweisen sich jedoch bei höheren Drücken unterscheiden. Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂ erreichte ein Maximum von ~~74 K bei 91,5 GPa, während La₀,₈Sr₀,₂NiO₂ ein ähnliches Maximum (~~74,5 K) bei einem viel höheren Druck von 146 GPa erreichte und die Supraleitung bis 210 GPa aufrechterhielt. Im Gegensatz dazu zeigen andere Hoch- $T_c$ -Oxidsysteme, einschließlich Kupraten (Bi-2212, PLCCO) und anderer Nickelate (RP-Phase La₃Ni₂O₇), typischerweise eine monotone Unterdrückung der Supraleitung oder ein Verschwinden bei Drücken weit unter 100 GPa.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit eine beispiellose Robustheit der Supraleitung gegenüber ultrahohem Druck in einem oxidischen Supraleitersystem demonstriert. Die Persistenz der Supraleitung bis zu 210 GPa (2 Mbar) stellt die typische Fragilität in Frage, die bei hochtemperatursupraleitenden Keramiken beobachtet wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass die supraleitende Kopplungsstärke in Infinite-Layer-Nickelaten über diesen extremen Druckbereich hinweg robust bleibt, was wahrscheinlich durch die NiO₂-Ebenen und nicht durch die f-Orbital-Magnetmomente bestimmt wird, gegeben sei die Ähnlichkeit in der Peak- $T_c$ zwischen La- und Nd-basierten Varianten trotz ihrer unterschiedlichen Gitterkonstanten.

Die Studie etabliert, dass die Druckantwort von freistehenden Infinite-Layer-Nickelaten sich von anderen Hoch- $T_c$ -Oxidfamilien unterscheidet, die unter ähnlichen Bedingungen generell eine unterdrückte Supraleitung zeigen. Durch die Erweiterung des Druckfensters auf 210 GPa liefert die Forschung kritische Daten über die Grenzen der Supraleitung in Nickelaten und zeigt auf, dass die Verstärkung der kinetischen Energie und des Orbital-Überlapps (Ni 3d und O 2p) den supraleitenden Zustand nicht unmittelbar zerstört, selbst wenn die effektive Coulomb-Abstoßung reduziert wird. Diese Arbeit unterstreicht das Potenzial der Freistehend-Membran-Technik, neue Quantenphänomene in komplexen Oxiden unter extremen Bedingungen zu erschließen.

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