Figur 1:Elektroner (lila) interagerar starkt med varandra när de rör sig genom NiO2 -skiktet i ett nickelatmaterial, som kan fungera som en modell för högtemperatur supraledning (nickel =grå, syre =rött). (Bild producerad av Mari Ishida från RIKEN Center for Emergent Matter Science.). Upphovsman:RIKEN Center for Emergent Matter Science
Jakten på supraledare vid hög temperatur kan underlättas av beräkningar av RIKEN-fysiker som har avslöjat elektroners beteende i ett nickeloxidmaterial.
Superledare kan bära en elektrisk ström utan motstånd, och används för att göra kraftfulla elektromagneter eller känsliga instrument för att mäta magnetfält.
Konventionell supraledning beror på en form av elektronparning som endast sker vid extremt låga temperaturer, så måste superledande anordningar kylas med dyra flytande gaser. Men för ungefär 30 år sedan forskare upptäckte att vissa kupratmaterial kan bli supraledare vid relativt varma temperaturer, upp till -140 grader Celsius. Den bakomliggande orsaken till denna högtemperatur supraledning är fortfarande inte förstådd.
År 2019, forskare fann att en strontium-dopad neodym-nickeloxid (Nd 0,8 Sr 0,2 NiO 2 ) kan supraledning under −258 grader Celsius. Upptäckten väckte uppmärksamhet inte på grund av temperaturen, men eftersom detta nickelatmaterial har en mycket lik kristallstruktur som kupraterna, och kan fungera som en testbädd för att bättre förstå hur supraledning fungerar i dessa material.
Nickelatmaterialet består av alternerande lager av Nd och NiO 2 . Yusuke Nomura vid RIKEN Center for Emergent Matter Science och kollegor har nu studerat hur interaktionen mellan vissa elektroner i dessa två lager kan påverka supraledning.
Lagets beräkningar visade att elektronerna i NiO 2 lager interagerar starkt med varandra, vilket liknar kuprater där den starka korrelationen i CuO 2 skikt tros spela en nyckelroll i deras högtemperatur supraledning. Dock, det är en skillnad mellan nickelaterna och cupraterna:i nickelaterna, elektroner i neodymiumskiktet är delvis upptagna och bildar Fermifickan, en relativt liten region i Brillouin -zonen omgiven av Fermi -ytan. Dessa fickor visas inte i kuvert, vilket kan göra nickelatmaterialet till en ofullkomlig analog för koppar.
Nomuras team använde beräkningsmodeller för att studera om fickorna skulle kunna elimineras genom att finjustera materialets kemiska sammansättning och därmed skapa ett nickelat som passar bättre för kupraterna. De fann att två föreningar kunde passa räkningen:natriumneodym -nickeloxid (NaNd 2 NiO 4 ) och natriumkalcium -nickeloxid (NaCa 2 NiO 3 ). "Om de föreslagna nickelaten syntetiseras, de kommer att vara riktiga nickelanaloger av supraledare av cuprate, "Noterar Nomura.
"Nästa steg är att klargöra skillnaden och likheten mellan nickelaterna och kupraterna på ett mer systematiskt sätt, och få djupare inblick i den superledande mekanismen i båda systemen, " han lägger till.
