Structural transition and possible pressure-induced superconductivity in a suboxide La$_5$Pb$_3$O

In de wereld van de materiaalkunde zoeken wetenschappers vaak naar stoffen die hun gedrag drastisch kunnen veranderen wanneer ze worden samengedrukt of afgekoeld. Sommige materialen worden supergeleiders, waarbij ze elektriciteit geleiden met nul weerstand, terwijl andere structurele verschuivingen ondergaan waarbij hun atomen zich in nieuwe patronen herschikken. Een bijzonder interessante klasse materialen, bekend als suboxiden, bevat meer metaalatomen dan zuurstofatomen, wat een raamwerk creëert dat rijk is aan metaalbindingen. Deze verbindingen zijn uniek omdat de extra metaalatomen clusters en ingewikkelde arrangementen kunnen vormen die aanleiding geven tot ongebruikelijke fysieke eigenschappen. Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in hoe deze materialen reageren op druk, aangezien het samenpersen van de kristallen de atomen dichter bij elkaar kan dwingen, wat potentieel nieuwe toestanden van materie of zelfs supergeleiding kan triggeren. Het begrijpen van deze overgangen helpt wetenschappers de fundamentele regels te ontdekken die bepalen hoe atomen met elkaar interageren en hoe elektriciteit door vaste stoffen beweegt.

Een team onderzoekers richtte zich onlangs op een specifieke suboxide genaamd La5Pb3O, een kristal bestaande uit lanthanum, lood en zuurstof. Ze kweekten hoogwaardige, millimetergrote kristallen van dit materiaal en onderwierpen deze aan een reeks tests waarbij koelen, verwarmen en het uitoefenen van enorme druk betrokken waren. Hun doel was om in kaart te brengen hoe de interne structuur van het kristal veranderde naarmate de temperatuur daalde, en om te zien of deze veranderingen invloed hadden op het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden. De studie onthulde een fascinerende sequentie van gebeurtenissen: naarmate het materiaal afkoelde onder een specifieke temperatuur, herschikten de atomen zichzelf, en toen de onderzoekers het kristal onder hoge druk samenperden, werd deze herschikking onderdrukt, wat plaatsmaakte voor een potentiële nieuwe staat van supergeleiding.

De reis begon met de creatie van de kristallen zelf. De onderzoekers kweekten La5Pb3O door een mengsel van lanthanum, kobalt en lood samen te smelten in een speciale container. Het kobalt fungeerde als een helper om het smeltpunt van het mengsel te verlagen, terwijl de container, gemaakt van aluminiumoxide, de benodigde zuurstof leverde om de verbinding te vormen zonder het eindproduct te vervuilen. De resulterende kristallen waren glanzend en rechthoekig, maar ze waren delicaat; als ze in de lucht zouden blijven liggen, zouden ze snel degraderen en veranderen in een mengsel van hydroxiden en metaallood. Om ze stabiel te houden, hanteerden de wetenschappers ze in een droge, zuurstofvrije omgeving. Zodra ze hun monsters hadden, gebruikten ze krachtige röntgenstralen en neutronenstralen om in de kristalstructuur te kijken bij verschillende temperaturen.

Bij kamertemperatuur zijn de atomen in La5Pb3O gerangschikt in een specifiek, ordelijk patroon. Echter, toen de onderzoekers het kristal afkoelden, ontdekten ze dat er iets significants gebeurde bij 225 Kelvin, wat ongeveer -48 graden Celsius is. Onder deze temperatuur trilden de atomen niet alleen minder, maar ze verplaatsten hun positie ook daadwerkelijk. Specifiek bewogen paren van lanthanum- en loodatomen, die voorheen gelijkmatig uit elkaar stonden, dichter naar elkaar toe om dimeren te vormen langs een verticale as. Deze beweging zorgde ervoor dat het gehele kristalrooster licht vervormde, waardoor de symmetrie van de structuur veranderde van een vorm met een hoge temperatuur naar een vorm met een lage temperatuur. Deze transitie was geen subtiele verschuiving; het was een duidelijke, meetbare verandering in de manier waarop de atomen aan elkaar gebonden zijn.

De onderzoekers bevestigden deze structurele verandering door te observeren hoe het materiaal zich elektrisch en thermisch gedroeg. Wanneer zij de elektrische weerstand maten, zagen zij een duidelijke anomalie terwijl de temperatuur door 225 Kelvin daalde. De weerstand, die normaal gesproken afneemt naarmate een metaal kouder wordt, begon in plaats daarvan te stijgen, bereikte een piek en daalde vervolgens weer. Ook de metingen van de warmtecapaciteit van het materiaal vertoonden een kleine maar duidelijke bult bij dezelfde temperatuur, een klassiek kenmerk van een faseovergang. Deze observaties bevestigden dat de atomen inderdaad zichzelf opnieuw rangschikten en zo een nieuwe, lager energetische staat van het kristal creëerden.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, maakte het team gebruik van computersimulaties om de elektronische structuur van het materiaal te modelleren. Ze zochten naar een veelvoorkomende verklaring voor dergelijke transities, vaak een ladingsdichtheidsgolf (charge density wave) genoemd, waarbij elektronen zichzelf herschikken om een kloof in de energieniveaus te creëren. Hun berekeningen toonden echter aan dat er geen zodanige kloof ontstond op het kritieke energieniveau waar elektronen stromen. In plaats daarvan suggereerden de simulaties dat de transitie werd gedreven door de fysieke binding tussen de atomen. De atomen kwamen simpelweg dichter bij elkaar omdat het energetisch gunstiger voor hen was om dat te doen, vergelijkbaar met twee magneten die naar elkaar toe snappen, in plaats van door een complexe instabiliteit in de elektronenzee. Dit onderscheid is belangrijk omdat het ons vertelt dat de drijvende kracht de geometrie en de grootte van de atomen zelf is, en niet een puur elektronisch effect.

Het meest intrigerende deel van de studie kwam wanneer de onderzoekers hoge druk op de kristallen uitoefenden. Ze plaatsten de monsters in een apparaat dat druk kon genereren tot 8 gigapascal, wat ongeveer 80.000 keer de atmosferische druk op zeeniveau is. Terwijl ze het kristal samenpersten, observeerden ze wat er gebeurde met de structurele transitie. De druk dwong de atomen om in hun oorspronkelijke configuratie met hoge temperatuur te blijven, waardoor de dimerisatie effectief werd onderdrukt. De temperatuur waarbij de atomen normaal gesproken zouden herschikken, daalde steeds lager naarmate de druk toenam, totdat de transitie rond 5 gigapascal volledig verdween.

Precies op het moment dat de structurele transitie verdween, verscheen er een nieuw fenomeen. De onderzoekers observeerden een plotselinge daling in de elektrische weerstand bij lage temperaturen, een gedrag dat kenmerkend is voor supergeleiding. Deze daling vond plaats bij temperaturen tot 10 Kelvin wanneer de druk 8 gigapascal bereikte. Hoewel de weerstand niet helemaal naar nul daalde, wat het definitieve bewijs van een perfecte supergeleider zou zijn, was het gedrag zeer suggestief. De onderzoekers merkten op dat de kristallen kleine insluitingen van oxide bevatten, wat waarschijnlijk voorkwam dat de supergeleidende staat zich perfect door het hele monster verspreidde. Ondanks dit was de correlatie duidelijk: naarmate de structurele transitie uit de existentie werd geperst, ontstonden de voorwaarden voor supergeleiding.

De bevindingen suggereren dat La5Pb3O een veelbelovend platform is voor het bestuderen van de delicate balans tussen structurele veranderingen en supergeleiding. Het feit dat een vergelijkbaar gedrag werd waargenomen in een verwante verbinding, Ce5Pb3O, wijst erop dat dit een algemeen kenmerk kan zijn van deze familie van zeldzame aardoxide-suboxiden. De onderzoekers concluderen dat door de druk aan te passen of zelfs de chemische samenstelling licht te veranderen, zij mogelijk deze concurrerende toestanden kunnen beheersen. Hoewel de toestand van nul weerstand niet volledig werd bereikt in deze studie, waarschijnlijk door onzuiverheden in de kristallen, bieden de resultaten een sterke routekaart voor toekomstige experimenten. Door schonere kristallen te kweken en nog hogere druk toe te passen, hopen wetenschappers het volledige supergeleidende potentieel dat in deze materialen verborgen ligt te ontsluiten, wat nieuwe inzichten biedt in hoe we materialen met op maat gemaakte elektrische eigenschappen kunnen ontwerpen.