Ett team av forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har identifierat en nickeloxidförening som ett okonventionellt men lovande kandidatmaterial för supraledning vid hög temperatur.

Teamet syntetiserade framgångsrikt enkristaller av en metallisk nickelatförening i tre lager, en bedrift som forskarna tror är den första.

"Det är redo för supraledning på ett sätt som inte finns i andra nickeloxider. Vi är mycket hoppfulla att allt vi behöver göra nu är att hitta rätt elektronkoncentration."

Denna nickeloxidförening är inte supraledande, sa John Mitchell, en Argonne Distinguished Fellow och biträdande chef för laboratoriets materialvetenskapsavdelning, som ledde projektet, som kombinerade kristalltillväxt, röntgenspektroskopi, och beräkningsteori. Men, han lade till, "Det är redo för supraledning på ett sätt som inte finns i andra nickeloxider. Vi är mycket hoppfulla att allt vi behöver göra nu är att hitta rätt elektronkoncentration."

Mitchell och sju medförfattare tillkännagav sina resultat i veckans nummer av Naturfysik .

Supraledande material är tekniskt viktiga eftersom elektricitet strömmar genom dem utan motstånd. Högtemperatursupraledare kan leda till snabbare, effektivare elektroniska apparater, nät som kan överföra kraft utan energiförlust och ultrasnabba svävande tåg som åker friktionsfria magneter istället för skenor.

Endast supraledning vid låga temperaturer verkade möjlig före 1986, men material som supraledande vid låga temperaturer är opraktiska eftersom de först måste kylas till hundratals minusgrader. 1986, dock, upptäckten av högtemperatursupraledning i kopparoxidföreningar som kallas kuprater skapade ny teknisk potential för fenomenet.

Men efter tre decennier av efterföljande forskning, exakt hur cuprate supraledning fungerar är fortfarande ett avgörande problem på området. Ett sätt att lösa detta problem har varit att studera föreningar som har liknande kristaller, magnetiska och elektroniska strukturer till kupraterna.

Nickelbaserade oxider - nickelater - har länge betraktats som potentiella kupratanaloger eftersom grundämnet sitter omedelbart intill koppar i det periodiska systemet. Än så länge, Mitchell noterade, "Det har varit ett misslyckat uppdrag." Som han och hans medförfattare noterade i deras Naturfysik papper, "Ingen av dessa analoger har varit supraledande, och få är till och med metalliska."

Nickelatet som Argonne-teamet har skapat är en kvasi-tvådimensionell treskiktsblandning, vilket innebär att den består av tre lager av nickeloxid som är åtskilda av distanslager av praseodymoxid.

"Därför ser det mer tvådimensionellt ut än tredimensionellt, strukturellt och elektroniskt, " sa Mitchell.

Detta nickelat och en förening innehållande lantan snarare än praseodym delar båda den kvasi-tvådimensionella treskiktsstrukturen. Men lantananalogen är icke-metallisk och antar en så kallad "laddnings-stripe"-fas, en elektronisk egenskap som gör materialet till en isolator, motsatsen till en supraledare.

"Av någon ännu okänd anledning, praseodymsystemet bildar inte dessa ränder, "Mitchell sa. "Det förblir metalliskt och så är definitivt den mer troliga kandidaten för supraledning."

Argonne är ett av få laboratorier i världen där föreningen kunde skapas. Materialvetenskapsavdelningens högtrycksugn med optisk bild med flytande zon har speciella möjligheter. Det kan uppnå tryck på 150 atmosfärer (motsvarande krosstrycket som finns på oceaniska djup av nästan 5, 000 fot) och temperaturer på cirka 2, 000 grader Celsius (mer än 3, 600 grader Fahrenheit), förhållanden som behövs för att växa kristallerna.

"Vi visste inte säkert att vi kunde tillverka dessa material, " sa Argonne postdoktor Junjie Zhang, den första författaren i studien. Men verkligen, de lyckades odla kristallerna som mätte några millimeter i diameter (en liten bråkdel av en tum).

Forskargruppen verifierade att den elektroniska strukturen hos nickelatet liknar den hos cupratematerial genom att ta röntgenabsorptionsspektroskopi vid Advanced Photon Source, en användaranläggning för DOE Office of Science, och genom att utföra densitetsfunktionella teoriberäkningar. Materialforskare använder densitetsfunktionsteori för att undersöka de elektroniska egenskaperna hos system för kondenserad materia.

"Jag har ägnat hela min karriär åt att inte göra högtemperatursupraledare, " Mitchell skämtade. Men det kan förändras i nästa fas av hans teams forskning:att försöka inducera supraledning i deras nickelatmaterial med hjälp av en kemisk process som kallas elektrondopning, där föroreningar avsiktligt tillsätts ett material för att påverka dess egenskaper.