Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har gjort det första nickeloxidmaterialet som visar tydliga tecken på supraledning - förmågan att överföra elektrisk ström utan förlust.

Även känd som nickelat, det är den första i en potentiell ny familj av okonventionella supraledare som är mycket lik kopparoxiderna, eller kopior, vars upptäckt 1986 väckte förhoppningar om att superledare en dag skulle kunna arbeta nära rumstemperatur och revolutionera elektroniska enheter, kraftöverföring och annan teknik. Dessa likheter har forskare som undrar om nickelater också kan leda superledande vid relativt höga temperaturer.

På samma gång, det nya materialet verkar skilja sig från kupraterna på grundläggande sätt - till exempel den kanske inte innehåller en typ av magnetism som alla supraledande kuprater har - och detta kan välta ledande teorier om hur dessa okonventionella superledare fungerar. Efter mer än tre decennier av forskning, ingen har fastnat det.

Experimenten leddes av Danfeng Li, en postdoktor vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC, och beskrivs idag i Natur .

"Detta är en mycket viktig upptäckt som kräver att vi tänker om detaljerna i den elektroniska strukturen och möjliga mekanismer för supraledning i dessa material, "sa George Sawatzky, en professor i fysik och kemi vid University of British Columbia som inte var inblandad i studien men skrev en kommentar som följde tidningen i Natur . "Detta kommer att få oerhört många människor att hoppa in för att undersöka denna nya klass av material, och alla möjliga experimentella och teoretiska arbeten kommer att utföras. "

En svår väg

Ända sedan supraledarna i cuprate upptäcktes, forskare har drömt om att göra liknande oxidmaterial baserat på nickel, som ligger bredvid koppar på elementens periodiska system.

Men att göra nickelater med en atomstruktur som bidrar till supraledning visade sig vara oväntat svårt.

"Så vitt vi vet, nickelatet vi försökte tillverka är inte stabilt vid de mycket höga temperaturerna - cirka 600 grader Celsius - där dessa material normalt odlas, "Sa Li." Så vi behövde börja med något som vi stabilt kan växa vid höga temperaturer och sedan förvandla det vid lägre temperaturer till den form vi ville ha. "

Han började med en perovskit - ett material som definieras av dess unika, dubbelpyramid atomstruktur-som innehöll neodym, nickel och syre. Sedan dopade han perovskiten genom att tillsätta strontium; detta är en vanlig process som lägger till kemikalier i ett material för att få fler av dess elektroner att flöda fritt.

Detta stal elektroner från nickelatomer, lämnar lediga "hål, "och nickelatomerna var inte glada över det, Sa Li. Materialet var nu instabilt, att göra nästa steg - att odla en tunn film av det på en yta - verkligen utmanande; det tog honom ett halvt år att få det att fungera.

'Jenga kemi'

När det var klart, Li skär filmen i små bitar, lindade den löst i aluminiumfolie och förseglade den i ett provrör med en kemikalie som snyggt tog bort ett lager av dess syreatomer - ungefär som att ta bort en pinne från ett vingligt torn av Jenga -block. Detta vred filmen till en helt ny atomstruktur-ett strontiumdopat nickelat.

"Var och en av dessa steg hade demonstrerats tidigare, "Li sa, "men inte i denna kombination."

Han minns det exakta ögonblicket i laboratoriet, runt 02.00, när tester indikerade att det dopade nickelatet kan vara supraledande. Li var så upphetsad att han stannade uppe hela natten, och på morgonen valde det regelbundna mötet i hans forskargrupp för att visa dem vad han hade hittat. Snart, många av gruppmedlemmarna gick med honom i ett dygnet runt-försök att förbättra och studera detta material.

Ytterligare tester skulle avslöja att nickelatet verkligen var superledande i ett temperaturintervall från 9-15 kelvin-otroligt kallt, men en första start, med möjligheter till högre temperaturer framöver.

Mer arbete framöver

Forskning om det nya materialet är i en "mycket, mycket tidigt skede, och det är mycket jobb framöver, "varnade Harold Hwang, en SIMES -utredare, professor vid SLAC och Stanford och seniorförfattare till rapporten. "Vi har just sett de första grundläggande experimenten, och nu måste vi göra hela batteriet av undersökningar som fortfarande pågår med cuprates. "

Bland annat, han sa, forskare kommer att vilja doppa nickelatmaterialet på olika sätt för att se hur detta påverkar dess supraledning över en rad temperaturer, och avgöra om andra nickelater kan bli supraledande. Andra studier kommer att utforska materialets magnetiska struktur och dess relation till supraledning.