NUS-fysiker har utvecklat en metod för att inducera övergången av en sällsynt jordartsmetallnickelat från deras inhemska perovskitform till oändliga skiktstrukturer. Detta gjorde det möjligt för dem att bygga ett komplett fasdiagram av denna nickelatsuperledare.

En supraledare är ett materialsystem som kan leda elektrisk ström med noll motstånd när det blir kallare än en "kritisk temperatur, "känd som den supraledande övergångstemperaturen T _c . Konventionella supraledare har vanligtvis ett T _c lägre än gränsen på cirka 30 K (268 grader under rumstemperatur) som förutspåtts baserat på Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin (BCS). Detta begränsar användningen av supraledande enheter i våra dagliga liv. I årtionden, forskare har försökt driva detta T _c högre genom att syntetisera nya material. Det är också viktigt att förstå den fysiska mekanismen. Den så kallade högtemperatursupraledningsförmågan i föreningar som innehåller kopparoxidskikt (känd som kupraterna), med t _c över BCS-gränsen och därefter över kokpunkten för flytande kväve (77 K), upptäcktes i slutet av 80-talet. Sedan dess har T _c har stått stilla och även om viktiga forskningsresultat har gjorts, ursprunget och mekanismen för hög-T _c supraledning är fortfarande ett mysterium. En ny supraledande familj med en liknande kristall- och elektronisk struktur som kupraten är en av vägarna i sökandet efter potentiellt högre T _c material och att förstå den underliggande mekanismen för hög-T _c supraledning.

Nyligen, forskare har upptäckt förekomsten av supraledning i nickelatföreningar av sällsynta jordartsmetaller, en analog av kupraten. Att studera denna kupratanalog kan potentiellt leda till en bättre förståelse av supraledning vid hög temperatur, och möjligheten att förutse, designa och syntetisera högre T _c supraledare. Dock, det blev uppenbart att nickelatsupraledare är mer utmanande att producera än man först trodde. Nio månader efter denna upptäckt, en forskargrupp ledd av prof ARIADO från institutionen för fysik, NUS, blev den första gruppen att reproducera detta resultat. Mer viktigt, de utvecklade framgångsrikt fasdiagrammet för nickelatsuperledaren.

För att uppnå detta, Prof ARIANDOs grupp utvecklade en totaktisk reduktionsteknik för att omvandla tunna filmer av sällsynt jordartsmetallnickelat (NdNiO ₂ ) från sin vanliga perovskitkristallina form till en ny dopad strukturform, känd som oändliga lagerstrukturer. I detta material, supraledning uppstår när nickelatföreningen är dopad med strontium (Sr) föroreningar och den existerar i sin oändliga strukturella form. Tekniken gjorde det möjligt för forskargruppen att studera supraledning som en funktion av dopning. De konstruerade fasdiagrammet för detta materialsystem, och fann närvaron av en supraledande kupolregion (dopingberoende T _c ) och svagt isolerande regim vid sidan av kupolen (se figur).

I deras experiment, forskarna använde en pulsad laseravsättningsteknik för att syntetisera Sr-dopat nickelat Nd _1-x Sr _x NiO ₃ tunna filmer på strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) substrat. Den växande tunna filmen, tillsammans med ett reagens, kalciumhydrid (CaH ₂ ), placerades i en vakuumkammare för att inducera en reduktionsreaktion. Under reduktionsprocessen, den apikala syreatomen i NiO ₆ oktaedrarna tas bort. Detta orsakar perovskiten Nd _1-x Sr _x NiO ₃ att omvandla till det oändliga skiktet Nd _1-x Sr _x NiO ₂ . Forskarna tillämpade olika nivåer av Sr-dopningskoncentrationer och fann att supraledning uppträder i det oändliga skiktet Nd _1-x Sr _x NiO ₂ när Sr-sammansättningen är mellan x =0,135 och 0,235. Detta bildar en supraledande kupolformad region. Mer intressant, de fann att förutom den supraledande regionen, svagt isolerande beteende kan observeras vid låga temperaturer. Detta unika beteende skiljer sig från andra high-T _c materialsystem som kuprater.

Prof Ariando sa, "Genom att introducera lämpliga föroreningar i den isolerande moderföreningen, nickelatmaterialsystemet kan uppvisa högt T _c supraledning. Våra resultat kan ge ytterligare insikter för att bättre förstå de dopingberoende egenskaperna i dessa materialsystem och för att söka efter andra supraledande material i "nickelfamiljen."