Nitrogen based electride superconductor Nb5Ir3N under pressure: multifunctional physical properties from DFT based first-principles investigation

Diep binnen het domein van de gecondenseerde materie onderzoeken wetenschappers materialen die zich op manieren gedragen die onze alledaagse intuïtie tarten. Een dergelijke klasse materialen staat bekend als electriden. In een typische vaste stof zijn elektronen stevig gebonden aan atomen en fungeren ze als de lijm die de structuur bij elkaar houdt. In een electride echter, breken sommige elektronen los van hun atomaire thuis en zweven ze in de lege ruimtes tussen de atomen, waardoor ze effectief zelf negatieve ionen worden. Deze unieke rangschikking geeft deze materialen buitengewone eigenschappen, zoals het vermogen om elektriciteit te geleiden met bijna geen weerstand of om chemische reacties met hoge efficiëntie te katalyseren. Wanneer deze electriden ook nog supergeleiders worden — materialen die elektriciteit geleiden met nul weerstand bij lage temperaturen — openen ze nieuwe mogelijkheden voor technologie. Hoewel onderzoekers lang hebben gestudeerd naar eenvoudige binaire verbindingen bestaande uit twee elementen, blijft het gedrag van complexere ternaire verbindingen, die drie verschillende elementen bevatten, minder goed begrepen. Specifiek is de rol van stikstofatomen die gevangen zitten in de kristalstructuur van dergelijke materialen een mysterie dat de sleutel zou kunnen bevatten tot het ontwerpen van betere supergeleiders.

Een team van onderzoekers heeft nu zijn aandacht gericht op een specifieke ternaire nitride genaamd Nb5Ir3N, een verbinding bestaande uit niobium, iridium en stikstof. Hoewel dit materiaal onlangs is gesynthetiseerd en een supergeleider bleek te zijn bij normale atmosferische druk, waren de volledige potentie en de manier waarop het zich onder extreme omstandigheden gedraagt, onbekend. Om deze geheimen te ontrafelen, gebruikten de onderzoekers krachtige computersimulaties gebaseerd op de wetten van de kwantummechanica. Ze bekeken het materiaal niet alleen zoals het in een laboratorium bestaat; ze onderwierpen het aan immense druk, waarbij ze het samendrukten van nul tot 20 gigapascal. Om de schaal van deze kracht te visualiseren, stel je de druk voor die wordt gevonden op de bodem van de diepste oceaangracht vermenigvuldigd met honderden keren. Door een dergelijke omgeving te simuleren, kon het team observeren hoe de atomen zich herschikten, hoe de elektronen bewogen en hoe de sterkte en het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden veranderden, zonder de noodzaak van moeilijke en dure experimenten onder hoge druk.

De simulaties toonden aan dat Nb5Ir3N opmerkelijk robuust is. Naarmate de druk toenam, werd de kristalstructuur soepel gecomprimeerd, waarbij het volume met ongeveer 6,7 procent kromp bij de hoogste druk, maar het bleef stabiel en veranderde niet van fundamentele vorm. Het materiaal bleek mechanisch stabiel, wat betekent dat het de spanning kon weerstaan zonder te breken, en dynamisch stabiel, wat betekent dat de atomen op een manier vibreerden die de structuur intact hield. De onderzoekers vonden dat het materiaal ductiel is, wat betekent dat het gebogen of gevormd kan worden zonder te breken, een eigenschap die het makkelijker maakt om in engineeringtoepassingen te gebruiken. Bovendien werd het materiaal iets uniformer in zijn gedrag naarmate de druk steeg, hoewel het een lichte voorkeur behield om verschillend te reageren afhankelijk van de richting van de toegepaste kracht.

Een van de meest significante bevindingen betrof de hardheid van het materiaal en zijn vermogen om slijtage te weerstaan. Terwijl veel materialen harder worden wanneer ze worden samengedrukt, observeerden de onderzoekers dat de theoretische hardheid van Nb5Ir3N daadwerkelijk licht afnam naarmate de druk toenam. Dit tegenintuïtieve resultaat suggereert dat hoewel de atomen dichter op elkaar gepakt zijn, de aard van de chemische bindingen tussen hen verandert op een manier die het materiaal toestaat gemakkelijker te vervormen onder een scherp puntje. Ondanks deze verzachting blijft het materiaal zeer hard, met een hardheidswaarde die het stevig plaatst in de categorie van harde materialen geschikt voor slijtvast toepassingen. De simulaties toonden ook aan dat het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden verbetert onder druk, en dat het smeltpunt aanzienlijk stijgt, tot boven de 3800 Kelvin bij de hoogste druk. Dit duidt erop dat het materiaal potentieel kan overleven in extreem hete omgevingen, wat het een kandidaat maakt voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen.

De elektronische eigenschappen van het materiaal verschoven ook op interessante wijzen. De onderzoekers bevestigden dat Nb5Ir3N een metaal is, waarbij elektronen vrij doorheen stromen, en zij vonden dat dit metallische karakter standhoudt zelfs onder extreme druk. De druk veranderde echter de energieniveaus van de elektronen, met name die nabij het oppervlak waar het materiaal elektriciteit geleidt. De inclusie van zware elementen zoals iridium betekende dat de interactie tussen de spin en de baan van het elektron een grote rol speelde, wat ervoor zorgde dat de energiebanden splitsten op een manier die niet zou voorkomen in lichtere materialen. Deze splitsing is cruciaal voor het begrijpen van hoe het materiaal zich in de toekomst in elektronische apparaten zou kunnen gedragen. De optische eigenschappen waren even onthullend; het materiaal reflecteert een aanzienlijke hoeveelheid licht, met name in het infrarood- en zichtbare spectrum, en absorbeert ultraviolet licht zeer sterk. Deze combinatie van hoge reflectiviteit en sterke ultraviolette absorptie suggereert dat het materiaal nuttig kan zijn voor optische coatings of afscherming tegen specifieke soorten straling.

Ten slotte keken de onderzoekers naar het supergeleidende karakter van het materiaal. Hoewel het materiaal al bekend staat als supergeleidend bij lage temperaturen, suggereerden de simulaties dat het verhogen van de druk deze eigenschap mogelijk zelfs iets zou verzwakken. Dit komt omdat het aantal elektronen dat beschikbaar is om de paren te vormen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding, afneemt wanneer het materiaal wordt samengedrukt. Hoewel de onderzoekers niet de exacte nieuwe supergeleidende temperatuur konden berekenen zonder verdere complexe modellering, wijzen hun resultaten op een geleidelijke daling in plaats van een dramatische verbetering. Deze bevinding is belangrijk omdat het wetenschappers helpt te begrijpen van de delicate balans tussen druk, elektrondichtheid en supergeleiding in deze complexe verbindingen.

De studie concludeert dat Nb5Ir3N een veelzijdig en stabiel materiaal is met een unieke set mechanische, thermische en elektronische eigenschappen die kunnen worden afgestemd door druk toe te passen. Het vermogen om ductiel te blijven, het hoge smeltpunt en de specifieke optische respons maken het een veelbelovende kandidaat voor een verscheidenheid aan geavanceerde toepassingen, van structurele componenten bij hoge temperaturen tot gespecialiseerde optische apparaten. Door in kaart te brengen hoe dit materiaal zich gedraagt onder het verpletterende gewicht van gesimuleerde druk, hebben de onderzoekers een gedetailleerd blauwdruk geleverd dat experimentatoren kunnen gebruiken om toekomstige synthese en testen te begeleiden. Het werk benadrukt dat zelfs in een materiaal dat al een supergeleider is, er nog steeds veel verborgen lagen van gedrag te ontdekken zijn, wachtend op de juiste omstandigheden om ze te onthullen.