$d$-wave superconductivity in quintuple-layer bulk superconductor La$_6$Ni$_5$O$_{12}$

Supergeleiding is een aggregatietoestand waarin elektriciteit zonder enige weerstand stroomt, een fenomeen dat normaal gesproken temperaturen nabij het absolute nulpunt vereist. Decennialang waren wetenschappers gefascineerd door een specifieke familie materialen genaamd cupraten, die zijn gemaakt van koper en zuurstof, omdat ze kunnen supergeleiden bij relatief hogere temperaturen. Onlangs ontdekten onderzoekers een nieuwe familie supergeleiders gebaseerd op nikkel in plaats van koper. Deze nikkelgebaseerde materialen, bekend als gereduceerde Ruddlesden-Popper-nickelaten, delen een vergelijkbare gelaagde structuur met cupraten, maar bieden een frisse speeltuin om te begrijpen hoe deze exotische materialen werken. Het centrale mysterie in dit veld is het bepalen van de "paring-symmetrie" van de elektronen. In een supergeleider vormen elektronen paren om vrij te bewegen; de vorm van de golffunctie van dit paar — of het nu lijkt op een bol, een dumbbell of iets anders — bepaalt de eigenschappen van het materiaal en hoe het in de toekomst gebruikt kan worden. Hoewel dunne films van deze nickelaten veelbelovend zijn gebleken, zijn ze moeilijk te bestuderen met standaardinstrumenten omdat ze te dun zijn. De recente ontdekking van een bulkversie, of dikkere versie, van een specifiek vijflaags nikkelverbinding heeft een nieuwe deur geopend, waardoor wetenschappers de innerlijke werking van deze materialen met dezelfde precisie kunnen onderzoeken als bij traditionele supergeleiders.

Een team van onderzoekers heeft nu geavanceerde computersimulaties gebruikt om dit nieuwe vijflaagse materiaal, bekend als La6Ni5O12, te onderzoeken. Door een gedetailleerd wiskundig model van de atomaire structuur van het materiaal te bouwen en miljoenen berekeningen uit te voeren om de meest stabiele staat te vinden, ontdekten zij dat de elektronen in deze verbinding paren in een specif으로 patroon dat d-golf wordt genoemd. Dit patroon is hetzelfde type paring dat wordt gevonden in de beroemde kopergebaseerde supergeleiders, wat wijst op een diepe connectie tussen de twee families materialen. De onderzoekers sloten expliciet een andere veelvoorkomende mogelijkheid uit, een uitgebreide s-golftoestand, waarbij zij vonden dat deze veel te zwak was om de ware aard van de supergeleiding in dit systeem te zijn. Hun simulaties geven aan dat het materiaal een "nodale" supergeleider is, wat betekent dat de energiekloof die de elektronparen beschermt niet uniform is, maar specifieke punten heeft waar deze naar nul daalt, waardoor bepaalde laagenergetische excitaties kunnen bestaan.

Om hun bevindingen bruikbaar te maken voor experimenten in de echte wereld, vertaalde het team hun theoretische model naar voorspellingen voor metingen die in een laboratorium kunnen worden uitgevoerd. Ze berekenden wat er zou gebeuren als wetenschappers de dichtheid van toestanden zouden meten, wat in essentie een telling is van hoeveel elektronenergieniveaus beschikbaar zijn bij verschillende energieën. Hun resultaten voorspellen een duidelijke V-vormige inkeping bij lage energieën, een signatuur die duidelijk zichtbaar zou zijn in tunnelexperimenten. Ze voorspelden ook hoe het materiaal zou reageren op magnetische velden en temperatuurveranderingen. Specifiek vonden zij dat de superfluiditeitsdichtheid, die meet hoeveel elektronen deelnemen aan de supergeleidende stroom, in een rechte lijn afneemt naarmate de temperatuur stijgt vanaf het absolute nulpunt. Bovendien voorspelden zij dat de kernspin-roosterrelaxatiesnelheid, een maatstaf voor hoe snel atomaire kernen hun magnetische uitlijning verliezen, een specifieke wiskundige curve zou volgen die proportioneel is aan het kwadraat van de temperatuur. Deze gecombineerde signaturen vormen een consistente vingerafdruk van een schone nodale supergeleider, wat een duidelijke checklist biedt voor experimentatoren om de theorie te verifiëren.

De onderzoekers stopten niet bij slechts dit ene materiaal; ze pasten hetzelfde analytische kader toe op andere leden van de nickelate-familie om te zien of dit d-golfgedrag uniek of algemeen was. Wanneer zij naar de oneindige-laag-versie van het materiaal keken, die bestaat uit een enkele herhalende laag, wezen hun simulaties opnieuw sterk in de richting van een d-golf paringstoestand. Echter, wanneer zij een drie-laags versie van de verbinding onderzochten, waren de resultaten meer ambigu. Het drie-laags materiaal leek zich precies op de grens te bevinden tussen een supergeleider en helemaal geen supergeleider, wat suggereert dat de supergeleidende eigenschappen van het materiaal zeer gevoelig kunnen zijn voor kleine veranderingen in de samenstelling. Deze vergelijking benadrukt dat hoewel de neiging om d-golf paren te vormen een gemeenschappelijke draad lijkt te zijn door de hele familie, de sterkte van de supergeleiding zwaar afhangt van het aantal lagen en de concentratie van ladingsdragers.

De betekenis van dit werk ligt in het feit dat het vijflaagse materiaal een bulk kristal is, wat betekent dat het dik genoeg is om bestudeerd te worden met krachtige instrumenten zoals kernmagnetische resonantie en penetratiedieptemetingen, die onmogelijk zijn voor de dunne films die tot nu toe de focus van het onderzoek vormden. Door een robuuste theoretische voorspelling te bieden voor wat deze bulkexperimenten zouden moeten laten zien, vestigt de studie dit materiaal als een cruciaal platform om eindelijk de vraag over de paring-symmetrie in nickelate-supergeleiders te beslechten. De bevindingen suggereren dat de fysica die deze nieuwe nikkelgebaseerde supergeleiders beheerst, waarschijnlijk zeer vergelijkbaar is met die van de oudere kopergebaseerde materialen, gedreven door dezelfde onderliggende mechanismen. Dit inzicht helpt niet alleen om de aard van de huidige materialen te verhelderen, maar biedt ook een routekaart voor het begrijpen van hoe men de supergeleiding in verwante verbindingen, zoals de drie-laags versie, potentieel kan verbeteren door het aantal elektronen aan te passen.