High-temperature superconductivity in Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ membranes under pressure

In dit artikel wordt een nieuwe techniek gepresenteerd om vrijstaande $\mathrm{Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2}$-membranen in een diamantstempelcel te plaatsen, waardoor een lineaire en niet-verzadigde toename van de supergeleidende overgangstemperatuur tot ongeveer 90 GPa wordt waargenomen.

De kern

Het Verborgen Superkracht-Geheim van Nikkel: Hoe Druk een Magische Transformatie Teweegbrengt

Stel je voor dat je een heel dun, bijna onzichtbaar velletje materiaal hebt. Dit velletje is gemaakt van nikkel en een beetje strontium, en het heeft een heel speciale eigenschap: het kan elektriciteit geleiden zonder enige weerstand. Dit noemen we supergeleiding. Normaal gesproken gebeurt dit pas bij temperaturen die net iets boven het absolute nulpunt liggen (ongeveer -256°C). Dat is koud genoeg om je vingers te bevriezen, maar voor een computerchip nog steeds te koud om praktisch te zijn.

De onderzoekers uit dit paper wilden weten: Kunnen we dit materiaal nog kouder maken, of beter gezegd, kunnen we het supergeleidende vermogen zo sterk maken dat het zelfs bij de temperatuur van vloeibare stikstof (ongeveer -196°C) werkt?

De Uitdaging: De "Kooi" van de Substraat

Voorheen zaten deze dunne nikkel-films vast aan een stevig ondergrondje (een "substraat"), net als een muurschildering die op een bakstenen muur is geschilderd. Om de superkracht te vergroten, probeerden wetenschappers het materiaal te "knijpen" door het op een kleiner ondergrondje te zetten. Maar er was een probleem: als je te veel knijpt, breekt de muur (het materiaal wordt onstabiel) of kun je het niet meer meten. Het was alsof je probeerde een ballon op te blazen, maar de muur waar hij tegenaan leunt, je in de weg zit.

De Oplossing: Het Vrijgeven van de Ballon

De onderzoekers bedachten een slimme truc. Ze maakten het nikkel-film los van zijn ondergrondje, zodat het een vrij zwevend membraan werd.

• De Analogie: Stel je voor dat je een trampoline hebt die normaal op de grond ligt. Als je erop springt, is hij beperkt door de grond. Maar als je de trampoline losmaakt en in de lucht houdt, kun je er veel harder op springen zonder dat hij breekt.
• Ze plaatsten dit zwevende velletje in een Diamant Hoge Druk Cel (DAC). Dit is een apparaat met twee diamanten die als een enorme knijper fungeren. Diamanten zijn zo hard dat je er extreem hoge druk mee kunt uitoefenen zonder dat ze zelf breken.

Het Experiment: Knijpen tot het Barst

Ze begonnen het velletje langzaam te knijpen met de diamanten.

1. Bij normale druk: Het velletje werd supergeleidend bij ongeveer -256°C.
2. Bij steeds hogere druk: Ze knijpen harder en harder. Het materiaal wordt compacter, de atomen komen dichter bij elkaar.
3. Het Resultaat: Hoe harder ze knijpen, hoe warmer het materiaal kan worden en toch nog supergeleidend blijven!
   • Bij de maximale druk (ongeveer 90 Gigapascal – dat is net zo zwaar als een olifant op een postzegel!), werd het materiaal supergeleidend bij -199°C.
   • Dit is een enorme sprong! Het is bijna net zo warm als vloeibare stikstof, wat veel makkelijker en goedkoper te koelen is.

De Verrassende Bevinding: Geen Stop, Geen Grens

Meestal gebeurt er bij supergeleiders dat als je ze te hard knijpt, ze hun kracht verliezen. Het is alsof je een ballon te ver opblaast en hij knapt. Bij andere materialen (zoals koper-oxiden) zakt de prestatie na een bepaald punt weer in.

Maar bij dit nikkel-materiaal gebeurde er iets magisch:

• De prestatie bleef lineair stijgen.
• Er was geen teken van een stop.
• Het was alsof ze een motor hadden gevonden die harder draait naarmate je meer gas geeft, zonder ooit te oververhitten of te breken.

De onderzoekers ontdekten een simpele regel: voor elke stap in druk, wordt het materiaal 0,65 graden warmer (in Kelvin) en blijft het supergeleidend.

Waarom is dit belangrijk?

Dit is als het vinden van een nieuwe "superkracht" in de natuurkunde.

• Voor de wetenschap: Het laat zien dat we de grenzen van wat mogelijk is, nog niet hebben bereikt. Het materiaal heeft nog veel meer potentieel in zich.
• Voor de toekomst: Als we materialen kunnen vinden die supergeleiden bij hogere temperaturen, kunnen we in de toekomst:
  • Computers bouwen die niet oververhitten.
  • Magneettreinen (zoals de Maglev) die nog sneller en goedkoper zijn.
  • Energieverlies in het elektriciteitsnet volledig elimineren.

Kortom: De onderzoekers hebben een vrijgevend velletje nikkel in een diamanten knijper gelegd en ontdekt dat hoe harder je knijpt, hoe "warme" supergeleiders je krijgt. Het is een belofte voor een toekomst waarin supergeleiding niet langer een koude, dure luxe is, maar een kracht die we dagelijks kunnen gebruiken.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Sinds de ontdekking van supergeleiding in oneindige-lagen nikkelaten (infinite-layer nickelates) is er een duidelijke empirische trend gevestigd: het verkleinen van het rooster (lattice contraction) leidt tot een verhoging van de supergeleidende overgangstemperatuur ($T_c$). Eerdere verbeteringen werden bereikt door epitaxiale compressiespanning en chemische druk (door vervanging van zeldzame aard-ionen). Echter, het verder verhogen van $T_c$ werd beperkt door twee factoren:

1. Epitaxiale stabiliteit: De grenzen van de stabiliteit van dunne films op substraten.
2. Meetbeperkingen: De uitdaging om dunne films te meten in hoge-druk omgevingen. Bestaande substrat-gebonden films vertonen structurele instabiliteit bij drukken boven ~12 GPa, wat het onderzoek naar het intrinsieke maximum van $T_c$ belemmerde.

De fundamentele vraag was: wat is de intrinsieke bovengrens van $T_c$ in oneindige-lagen nikkelaten en blijft de verhoging door roostercontractie doorgaan buiten het bereik dat momenteel toegankelijk is voor dunne films?

Methodologie

Om de beperkingen van substrat-gebonden films te overwinnen, ontwikkelden de auteurs een nieuwe platform-techniek:

• Vrijstaande Membranen: Ze synthetiseerden optimaal gedoteerde $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ dunne films (~6,7 nm) via pulsed laser deposition, gevolgd door topotactische reductie. De films waren bedekt met beschermende $SrTiO_3$ lagen en groeiden op een oplosbaar offerlaag. Door het oplossen van de offerlaag werden vrijstaande, polymeer-gedragen oneindige-lagen nikkelaat-membranen verkregen.
• Diamond Anvil Cell (DAC) Integratie: Deze vrijstaande membranen werden direct overgebracht naar de culet van een diamant in een Diamond Anvil Cell, volledig vrij van een groeisubstraat.
• Elektrische Contacten: Via een gestencilde siliciumnitride masker werden lokale Ohmische contacten (Ti/Au) gemaakt door ionenmilling en elektronenstraalverdamping. De elektroden werden verlengd met Pt-foils.
• Hoge Druk Experimenten: De samples werden gemeten in een niet-magnetische DAC met een siliconenolie als druktransmissiemedium (PTM). Drukken tot ~90 GPa werden bereikt. De druk werd gekalibreerd met ruby-fluorescentie en de Raman-rand van diamant.

Belangrijkste Bijdragen

1. Technologische Doorbraak: De ontwikkeling van een methode om vrijstaande oneindige-lagen nikkelaat-membranen te integreren in een DAC, waardoor metingen mogelijk worden bij extreme drukken (>90 GPa) zonder de structurele instabiliteit van substrat-gebonden films.
2. Ongekende $T_c$-verhoging: Het aantonen dat $T_c$ lineair en zonder verzadiging toeneemt met druk, wat suggereert dat de koppelingssterkte in deze materialen veel hoger kan worden dan eerder gedacht.
3. Vergelijking met andere supergeleiders: Het bieden van een scherp contrast met andere supergeleider-families (zoals cupraten en bilagen nikkelaten) die doorgaans een verzadiging of daling van $T_c$ vertonen bij hoge druk.

Resultaten

• Lineaire Toename van $T_c$: De supergeleidende overgangstemperatuur ($T_c$, gedefinieerd als de aanvangstemperatuur $T_{c,onset}$) nam monotoon toe met de druk. De toename volgde een eenvoudige lineaire relatie met een snelheid van 0,65 K per GPa.
• Recordwaarden: Bij de maximale gemeten druk van 91,5 GPa werd een $T_c$ van **74,2 K** bereikt. Dit is een meer dan viervoudige toename ten opzichte van de waarde bij atmosferische druk (~17 K).
• Geen Verzadiging: In tegenstelling tot eerdere theorieën die voorspelden dat $T_c$ zou pieken rond 50 K bij ~50 GPa en vervolgens zou dalen door overdoping (zelf-doping), vertoonde dit systeem geen enkel teken van verzadiging of daling tot aan de maximale druk.
• Supergeleidende Eigenschappen:
  • De supergeleidende overgang bleef robuust tot de hoogste drukken.
  • Metingen onder magnetische velden (tot 13 T) bij 71,8 GPa ($T_c \approx 64$ K) toonden type-II supergeleidende gedrag.
  • De in-vlak coherentielengte ($\xi_{ab}$) nam monotoon af van ~2,39 nm (bij 0 GPa) naar ~1,54 nm (bij 71,8 GPa), wat wijst op een versterking van de supergeleidende toestand.
• Vergelijking: Waar cupraten en bilagen nikkelaten (zoals $La_3Ni_2O_7$) vaak een daling van $T_c$ vertonen bij hoge druk door overdoping, blijft de lijn voor $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ lineair stijgen.

Betekenis en Conclusie

Dit onderzoek toont aan dat de koppelingssterkte in oneindige-lagen nikkelaten kan worden opgevoerd tot een verrassend hoog niveau door extreme hydrostatische druk. Het feit dat er geen verzadiging of daling optreedt, suggereert dat de mechanismen die $T_c$ in cupraten beperken (zoals overdoping door druk), in deze nikkelaten mogelijk niet op dezelfde manier werken of dat de intrinsieke grens nog veel verder ligt.

De gebruikte aanpak met vrijstaande membranen biedt een breed toepasbare route om de supergeleidende eigenschappen van twee-dimensionale materialen verder te verkennen. De resultaten wijzen erop dat er nog aanzienlijke ruimte is om $T_c$ in nikkelaten te verhogen, wat een nieuwe richting opent voor het zoeken naar hogere kritische temperaturen in dit materiaalclass.