Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
Dit artikel rapporteert de ontdekking van bulk-supergeleiding bij atmosferische druk in de vijflagige vierkante planaire nikelaat La6Ni5O12, gesynthetiseerd via topotactische reductie, die een overgangstemperatuur van ongeveer 18 K en een supergeleidend volumepercentage van ~25% vertoont, waarmee een cruciaal platform wordt gevestigd voor het onderzoeken van het mechanisme van hoogtemperatuur-supergeleiding in nikelaaten.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Decennialang was de beroemdste familie van materialen die elektriciteit geleidt zonder enige weerstand, de kopergebaseerde keramische stoffen, bekend als cupraten. Deze materialen kunnen stroom met perfecte efficiëntie dragen bij temperaturen die veel warmer zijn dan het absolute nulpunt, een eigenschap die wetenschappers sinds de jaren 1980 fascineert. Het begrijpen van de exacte werking ervan is echter moeilijk gebleken, omdat de meest nuttige versies van deze materialen alleen als dunne films bestaan of verpletterende druk vereisen om te functioneren. Deze beperking heeft onderzoekers gedwongen om afhankelijk te zijn van indirecte methoden om ze te bestuderen, vergelijkbaar met het proberen te begrijpen van het interieur van een huis door alleen naar het dak te kijken. Om dit puzzelstuk op te lossen, hebben wetenschappers gezocht naar een nieuwe familie materialen die zich gedraagt als de koperachtige materialen, maar die gemakkelijker te bestuderen is. Ze richtten hun aandacht op nikkelgebaseerde oxiden, die een vergelijkbare chemische structuur en elektronische omgeving delen met de koperhoudende materialen. Hoewel nikkelgebaseerde supergeleiders recentelijk zijn ontdekt, zaten ook zij in dezelfde valstrik: ze werkten alleen in dunne lagen of onder extreme druk, waardoor de bulk van het materiaal in een niet-supergeleidende staat bleef.
Een team van onderzoekers heeft nu deze barrière doorbroken door een brok nikkelgebaseerd materiaal te creëren dat elektriciteit geleidt zonder weerstand bij normale atmosferische druk. De wetenschappers begonnen met een specifieke nikkelverbinding, een vijflaagse kristalstructuur die van nature ontstaat onder hoge hitte en druk. Dit startmateriaal was een metallische geleider, maar het was nog geen supergeleider. Om het te transformeren, voerden de onderzoekers een delicate chemische operatie uit. Ze plaatsten de kristallen in een afgesloten omgeving met een chemisch agens dat werkt als een spons, die specifieke zuurstofatomen uit het oppervlak en het binnenste van het kristal absorbeert. Dit proces, bekend als een topotactische reactie, verwijderde precies genoeg zuurstof om de rangschikking van de atomen in het materiaal te veranderen zonder het kristal uit elkaar te laten vallen. Het resultaat was een nieuwe versie van het materiaal waarbij de nikkelatomen in platte, vierkantachtige vlakken zitten, een structuur die theoretische modellen lang heeft voorspeld als ideaal voor supergeleiding.
Toen de onderzoekers dit nieuwe materiaal testten, ontdekten ze dat het begon met het geleiden van elektriciteit met nul weerstand bij een temperatuur van ongeveer 18 Kelvin, wat ongeveer 255 graden onder nul op de Celsius-schaal is. Dit was niet slechts een oppervlakte-effect; het materiaal gedroeg zich als een echte supergeleider door zijn gehele volume. Om dit te bevestigen, mat het team hoe het materiaal reageerde op magnetische velden. Ze observeerden dat het materiaal magnetische velden actief van zichzelf wegduwde, een kenmerk van supergeleiding, en dat het magnetische krachtlijnen binnen zijn structuur kon vangen, een teken dat het elektrische stromen vervoert zonder energie te verliezen. Ze maten ook de warmtecapaciteit van het materiaal, die een duidelijke sprong vertoonde bij dezelfde temperatuur waar de elektriciteit geen weerstand meer ondervond. Deze sprong is een definitieve thermodynamische signatuur die aangeeft dat een groot deel van het materiaal in een supergeleidende staat was gegaan.
De studie onthulde dat het succes van deze transformatie volledig afhing van precisie. Als de chemische behandeling te zwak was, bleef het materiaal een normale metaal met enkele ongewone magnetische eigenschappen. Als de behandeling te sterk was, veranderde het materiaal in een isolator die elektriciteit volledig blokkeerde. Alleen binnen een zeer nauw venster van chemische aanpassing verscheen de supergeleidende staat. De onderzoekers schatten dat ongeveer een kwart van het materiaal in hun monster supergeleidend was, terwijl de rest in een normale staat bleef, waarschijnlijk door minuscule scheurtjes of lichte variaties in de chemische samenstelling. Desondanks is de ontdekking significant omdat het de eerste bulk-monster van een nikkelgebaseerde supergeleider biedt die werkt bij normale druk. Dit opent de deur voor wetenschappers om krachtige instrumenten zoals neutronenverstrooiing en geavanceerde beeldvorming te gebruiken om direct in het materiaal te kijken, wat potentieel de geheimen van hoogtemperatuur-supergeleiding kan onthullen die jarenlang verborgen zijn gebleven.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.