En ny studie visar att nickeloxidsupraledare, som leder elektricitet utan förlust vid högre temperaturer än vad konventionella supraledare gör, innehåller en typ av kvantmateria som kallas laddningsdensitetsvågor, eller CDW, som kan åtfölja supraledning.

Närvaron av CDW visar att dessa nyligen upptäckta material, även kända som nickelater, är kapabla att bilda korrelerade tillstånd - "elektronsoppor" som kan vara värd för en mängd olika kvantfaser, inklusive supraledning, forskare från Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University rapporterade i Nature Physics idag.

"Till skillnad från någon annan supraledare vi känner till, dyker CDW upp redan innan vi dopar materialet genom att ersätta vissa atomer med andra för att ändra antalet elektroner som är fria att röra sig runt", säger Wei-Sheng Lee, en ledande forskare och utredare av SLAC med Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) som ledde studien.

"Detta gör nickelaten till ett mycket intressant nytt system - en ny lekplats för att studera okonventionella supraledare."

Nickelater och kuprater

Under de 35 åren sedan de första okonventionella "högtemperatur" supraledarna upptäcktes, har forskare tävlat om att hitta en som kunde bära elektricitet utan förlust vid nära rumstemperatur. Detta skulle vara en revolutionerande utveckling som tillåter saker som perfekt effektiva kraftledningar, maglevtåg och en mängd andra futuristiska, energibesparande tekniker.

Men även om ett kraftfullt globalt forskningsarbete har fastställt många aspekter av deras natur och beteende, vet folk fortfarande inte exakt hur dessa material blir supraledande.

Så upptäckten av nickelats supraledande krafter av SIMES-utredare för tre år sedan var spännande eftersom det gav forskare ett nytt perspektiv på problemet.

Sedan dess har SIMES-forskare utforskat nickelatens elektroniska struktur - i princip hur deras elektroner beter sig - och magnetiskt beteende. Dessa studier visade på viktiga likheter och subtila skillnader mellan nickelater och kopparoxider eller kuprater – de första högtemperatursupraledare som någonsin upptäckts och fortfarande världsrekordhållare för högtemperaturdrift vid vardagstryck.

Eftersom nickel och koppar sitter bredvid varandra på grundämnenas periodiska system, var forskare inte förvånade över att se ett släktskap där, och hade faktiskt misstänkt att nickelater kan vara bra supraledare. Men det visade sig vara utomordentligt svårt att konstruera material med precis rätt egenskaper.

"Det här är fortfarande väldigt nytt," sa Lee. "Människor kämpar fortfarande för att syntetisera tunna filmer av dessa material och förstå hur olika förhållanden kan påverka de underliggande mikroskopiska mekanismerna relaterade till supraledning."

Frysta elektronvågor

CDW:er är bara ett av de konstiga tillstånden av materia som kämpar för framträdande plats i supraledande material. Du kan tänka på dem som ett mönster av frusna elektronkrusningar överlagrade på materialets atomstruktur, med en högre elektrontäthet i krusningarnas toppar och en lägre elektrontäthet i dalarna.

När forskare justerar materialets temperatur och dopningsnivå uppstår olika tillstånd och försvinner. När förhållandena är helt rätt förlorar materialets elektroner sina individuella identiteter och bildar en elektronsoppa, och kvanttillstånd som supraledning och CDW kan uppstå.

En tidigare studie av SIMES-gruppen hittade inte CDWs i nickelater som innehåller det sällsynta jordartselementet neodym. Men i den här senaste studien skapade och undersökte SIMES-teamet ett annat nickelatmaterial där neodym ersattes med ett annat sällsynt jordartselement, lantan.

"Uppkomsten av CDW kan vara mycket känslig för saker som påfrestningar eller störningar i sin omgivning, vilket kan ställas in genom att använda olika sällsynta jordartsmetaller", förklarade Matteo Rossi, som ledde experimenten medan han var postdoktor vid SLAC.

Teamet genomförde experiment på tre röntgenljuskällor - Diamond Light Source i Storbritannien, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource vid SLAC och Advanced Light Source vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory. Var och en av dessa faciliteter erbjöd specialiserade verktyg för att undersöka och förstå materialet på en grundläggande nivå. Alla experiment var tvungna att utföras på distans på grund av pandemirestriktioner.

'I huvudsak självdoping'

Experimenten visade att detta nickelat kunde vara värd för både CDW och supraledande tillstånd av materia - och att dessa tillstånd var närvarande redan innan materialet dopades. Detta var överraskande, eftersom dopning vanligtvis är en viktig del av att få material att supraledning.

Lee sa att det faktum att detta nickelat i huvudsak är självdoping gör det väsentligt annorlunda än cuprates.

"Detta gör nickelater till ett mycket intressant nytt system för att studera hur dessa kvantfaser konkurrerar eller flätas samman med varandra", sa han. "Och det betyder att många verktyg som används för att studera andra okonventionella supraledare kan vara relevanta för den här också." + Utforska vidare

Första studien av nickelats magnetism finner ett starkt släktskap med kupratsupraledare