Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

Decennialang hebben natuurkundigen gejaagd op een specifiek soort elektrische magie: het vermogen voor elektriciteit om door een materiaal te stromen met absoluut nul weerstand. Dit fenomeen, bekend als supergeleiding, vereist gewoonlijk het koelen van materialen tot temperaturen die zo koud zijn dat ze nauwelijks boven het absolute nulpunt liggen. Echter, een familie van materialen genaamd cupraten, die koper bevatten, doorbraken deze regel door bij veel hogere, meer beheersbare temperaturen supergeleidend te worden. Deze ontdekking ontketende een decennialange zoektocht naar andere families van materialen die hetzelfde konden doen, in de hoop dat het begrijpen van hen het geheime mechanisme achter hoogtemperatuur-supergeleiding zou onthullen. Een veelbelovende kandidaat kwam naar voren in de vorm van nickelaten, materialen die nikkel bevatten en structureel lijken op de op koper gebaseerde cupraten. Wanneer wetenschappers dunne films van deze nickelaten maakten en ze doteerden met een specifiek element, observeerden ze succesvol supergeleiding. Toch ontstond er een verwarrende tegenstrijdigheid: wanneer andere teams exact hetzelfde materiaal in grote, bulkachtige brokken probeerden te maken in plaats van dunne films, verdween de supergeleiding volledig.

Dit mysterie leidde een team van onderzoekers ertoe om te onderzoeken waarom de bulkmonsters faalden terwijl de dunne films slaagden. Zij stelden voor dat het verschil niet te wijten was aan het substraat of de interface waar de dunne film op rust, zoals sommigen hadden gespeculeerd, maar eerder aan minuscule imperfecties die inherent zijn aan het bulk-syntheseproces. Door een combinatie van magnetische modellering en computersimulaties ontdekte het team dat de bulkmonsters microscopische eilanden van puur nikkelmetaal bevatten die zich samen met het hoofdmateriaal vormen. Omdat puur nikkel magnetisch is, fungeren deze kleine eilanden als miniature magneten die verspreid door het monster liggen. De onderzoekers berekenden dat het magnetische veld gegenereerd door deze clusters sterk genoeg is om de delicate staat die vereist is voor supergeleiding te verstoren, waardoor de supergeleiding effectief wordt gedood voordat deze zelfs maar kan beginnen.

Het onderzoek begon met het adresseren van een langdurig debat over de rol van het oppervlak waarop dunne films worden gegroeid. Sommige wetenschappers hadden gesuggereerd dat de supergeleiding in dunne films een interface-fenomeen was, wat betekent dat het alleen gebeurde waar het materiaal het substraat raakte. De auteurs merkten echter op dat experimenten die de uitstoting van magnetische velden maten, bevestigden dat het substraat niet direct deelneemt aan het supergeleidende mechanisme. In plaats daarvan verschoof de focus naar de interne kwaliteit van het materiaal zelf. Het was eerder gerapporteerd dat bulkmonsters van deze nickelaten lijden aan een tekort aan nikkelatomen in bepaalde gebieden, en dat de ontbrekende nikkelatomen niet simpelweg verdwijnen. In plaats daarvan klonteren ze samen om afzonderlijke clusters te vormen, sommige zo groot als enkele micrometers, die gevangen blijven tussen de korrels van het hoofdmateriaal.

Om de impact van deze clusters te begrijpen, behandelden de onderzoekers ze als kleine ferromagneten, aangezien nikkel een magnetisch metaal is. Ze schatten de grootte van deze clusters op ongeveer één micrometer in straal en berekenden het magnetische veld dat zij zouden produceren. Met behulp van twee verschillende fysische modellen om te beschrijven hoe deze magnetische velden zich gedragen, vonden zij dat het magnetische veld zelfs op een afstand van tien micrometer van een cluster sterk blijft, met waarden in de orde van grootte van millitesla. Dit is een cruciale bevinding omdat de drempel waarbij de supergeleiding in deze materialen instort extreem laag is, gerapporteerd op slechts 0,79 millitesla. De magnetische velden gegenereerd door de nikkelclusters zijn meerdere grootheden sterker dan deze limiet, wat betekent dat als deze clusters aanwezig zijn, ze een magnetische omgeving creëren die vijandig is tegen supergeleiding, waardoor het materiaal nooit in die staat kan komen.

In een parallel onderzoek gebruikten het team computersimulaties om te onderzoeken hoe de afwezigheid van nikkelatomen de elektronische structuur van het materiaal beïnvloedt. Ze modelleerden het materiaal met variërende graden van nikkeltekort en vonden dat de ontbrekende atomen het belang van een specifieke elektronische orbitaal, de Ni 3dx2−y2 orbitaal genoemd, verminderen op het energieniveau waar supergeleiding optreedt. Deze orbitaal wordt beschouwd als essentieel voor het supergeleidende gedrag in deze materialen. Wanneer de invloed ervan wordt verminderd door de aanwezigheid van nikkel-arme regio's, verliest het materiaal een sleutelingredient die nodig is voor het fenomeen om plaats te vinden. Dit suggereert dat zelfs als de magnetische clusters zouden worden verwijderd, de chemische imperfecties in de bulkmonsters de vorming van een supergeleidende staat nog steeds zouden hinderen.

De auteurs concluderen dat de afwezigheid van supergeleiding in bulk infinite-layer nickelaten waarschijnlijk te wijten is aan een combinatie van deze twee factoren. De nikkel-arme regio's veranderen het elektronische landschap op een manier die nadelig is voor supergeleiding, terwijl de nikkelatomen die in clusters zijn verzameld magnetische velden genereren die sterk genoeg zijn om de supergeleidende staat volledig te vernietigen. Deze imperfecties lijken een specifiek gevolg te zijn van de huidige chemische methoden die worden gebruikt om bulkmonsters te synthetiseren, die verschillen van de technieken die worden gebruikt om de succesvolle dunne films te maken. De onderzoekers suggereren dat als toekomstige synthesemethoden in staat zijn om deze nikkelclusters te elimineren en het nikkeltekort te corrigeren, het mogelijk kan zijn om supergeleiding in bulk nickelate-monsters te observeren, waardoor het mysterie eindelijk wordt opgelost waarom de dikke monsters stil zijn gebleven terwijl de dunne films zingen.