En SLAC/Stanford -studie visade att en nyligen upptäckt familj av nickelat superledare skiljer sig på överraskande sätt från en närstående familj, kopparna. Båda kommer i 2D -oxidplan (rött, grön, och grå kulor som representerar koppar, nickel- och syrejoner, respektive) separerade med lager av ett sällsynt jordartsmaterial (guldkulor). Cuprates är i sig isolatorer, och även när de är dopade för att lägga till fritt flödande elektroner (blå sfärer), som visas här, deras elektroner lämnar sällan för att interagera med andra materiallager. Men dessa nickelater är i och för sig metaller. Även i det icke-dopade tillstånd som avbildas här, deras elektroner blandas med elektroner från de sällsynta jordlagren på ett sätt som skapar ett 3D-metalliskt tillstånd. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Upptäckten förra året av det första nickeloxidmaterialet som visar tydliga tecken på supraledning startade en ras av forskare runt om i världen för att ta reda på mer. Materialets kristallstruktur liknar kopparoxider, eller kopior, som håller världsrekordet för att leda elektricitet utan förlust vid relativt höga temperaturer och normalt tryck. Men beter sig dess elektroner på samma sätt?
Svaren kan hjälpa till att främja syntesen av nya okonventionella superledare och deras användning för kraftöverföring, transport och andra applikationer, och belysa också hur kupraterna fungerar - vilket fortfarande är ett mysterium efter mer än 30 års forskning.
I en artikel publicerad idag Naturmaterial , ett team som leds av forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University rapporterar den första detaljerade undersökningen av den elektroniska strukturen för supraledande nickeloxider, eller nickelater. Forskarna använde två tekniker, resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) och röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), för att få den första fullständiga bilden av nickelaternas elektroniska struktur - i princip deras elektroners arrangemang och beteende, som bestämmer materialets egenskaper.
Både cuprates och nickelates finns i tunna, tvådimensionella ark som är skiktade med andra element, såsom järn av sällsynta jordartsmetaller. Dessa tunna ark blir supraledande när de kyls under en viss temperatur och densiteten hos deras fritt flödande elektroner justeras i en process som kallas "dopning".
Cuprates är isolatorer i sina förutbestämda "mark" -tillstånd, vilket betyder att deras elektroner inte är rörliga. Efter dopning kan elektronerna röra sig fritt men de är mestadels begränsade till kopparlagren, reser sällan genom de mellanliggande sällsynta jordlagren för att nå sina cuprate grannar.
Men i nickelaterna, laget upptäckte, så är inte fallet. Den odopade föreningen är en metall med fritt flödande elektroner. Vidare, de mellanliggande lagren bidrar faktiskt till elektroner till nickelarken, skapa ett tredimensionellt metalliskt tillstånd som skiljer sig ganska mycket från vad som ses i kuperna.
Detta är en helt ny typ av jordtillstånd för övergångsmetalloxider som koppar och nickelater, sa forskarna. Det öppnar nya riktningar för experiment och teoretiska studier av hur supraledning uppstår och hur det kan optimeras i detta system och eventuellt i andra föreningar.
