Studiet av supraledning är full av besvikelser, återvändsgränder och otroliga upptäckter, enligt Antia Botana, professor i fysik vid Arizona State University.

"Som teoretiker misslyckas vi i allmänhet med att förutsäga nya supraledare," sa hon.

Men 2021 upplevde hon höjdpunkten i sin tidiga karriär. I samarbete med experimentalisten Julia Mundy vid Harvard University upptäckte hon ett nytt supraledande material - ett nickelat med fem lager. De rapporterade sina fynd i Nature Materials i september 2021.

"Det var en av de bästa ögonblicken i mitt liv", mindes Botana. "Jag flög tillbaka från Spanien, och jag fick ett meddelande från min samarbetspartner Julia Mundy under mitt uppehåll. När jag såg resistiviteten sjunka till noll - det finns inget bättre än det."

Botana valdes till Sloan Research Fellow 2022. Hennes forskning stöds av ett CAREER-pris från National Science Foundation (NSF).

"Prof. Botana är en av de mest inflytelserika teoretikerna inom området för okonventionell supraledning, särskilt i skiktade nickelater som har fått enorm uppmärksamhet från material- och kondenserad materiens fysikgemenskaper", säger Serdar Ogut, programdirektör vid avdelningen för materialforskning vid National Science Foundation. "Jag förväntar mig att hennes banbrytande teoretiska studier, i samarbete med ledande experimentalister i USA, kommer att fortsätta att tänja på gränserna, resultera i upptäckten av nya supraledande material och avslöja grundläggande mekanismer som en dag kan bana väg för supraledning i rumstemperatur. "

Supraledning är ett fenomen som uppstår när elektroner bildar par snarare än att färdas isolerat, stöter bort all magnetism och låter elektroner färdas utan att förlora energi. Att utveckla supraledare i rumstemperatur skulle möjliggöra förlustfri elöverföring och snabbare, billigare kvantdatorer. Att studera dessa material är teorin om kondenserad materia.

"Vi försöker förstå vad som kallas kvantmaterial - material där allt klassiskt som vi lärt oss i våra grundstudier faller isär och ingen förstår varför de gör de roliga sakerna de gör", skämtade Botana.

Hon började undersöka nickelater, till stor del, för att bättre förstå kuprater - kopparoxidbaserade supraledare som upptäcktes först 1986. Trettio år senare är mekanismen som producerar supraledning i dessa material fortfarande hett omtvistad.

Botana närmar sig problemet genom att titta på material som ser ut som cuprates. "Koppar och nickel ligger bredvid varandra på det periodiska systemet," sa hon. "Det här var en självklar sak att göra, så folk hade tittat på nickelater under lång tid utan framgång."

Men sedan, 2019, upptäckte ett team från Stanford supraledning i en nickelat, om än en som hade blivit "dopad" eller kemiskt förändrad för att förbättra dess elektroniska egenskaper. "Materialet som de hittade 2019 är en del av en större familj, vilket är vad vi vill ha, eftersom det låter oss göra jämförelser med cuprates på ett bättre sätt", sa hon.

Botanas upptäckt 2021 byggde på den grunden, med en form av odopat nickelat med en unik, kvadratisk plan, skiktad struktur. Hon bestämde sig för att undersöka denna specifika form av nickelat - en sällsynt jordartsmetall, femdubbla lager, fyrkantigt plan nickelat - baserat på intuition.

"Efter att ha lekt med många olika material i flera år, är det den typ av intuition som människor som studerar elektronisk struktur utvecklar," sa hon. "Jag har sett det under åren med mina mentorer."

Genom att identifiera en annan form av supraledande nickelat kan forskare reta ut likheter och skillnader mellan nickelater och mellan nickelater och kuprater. Hittills, ju mer nickelater som studeras, desto mer liknar de kuprater.

"Fasdiagrammet verkar ganska likt. Elektronparningsmekanismen verkar vara densamma," säger Botana, "men det här är en fråga som ännu inte har lösts."

Konventionella supraledare uppvisar s-vågsparning - elektroner kan paras i vilken riktning som helst och kan sitta ovanpå varandra, så vågen är en sfär. Nickelater, å andra sidan, visar sannolikt d-vågsparning, vilket betyder att den molnliknande kvantvågen som beskriver de parade elektronerna är formad som en fyrklöver. En annan viktig skillnad är hur starkt syre och övergångsmetaller överlappar i dessa material. Cuprates uppvisar en stor "super-utbyte" - materialet handlar elektroner i kopparatomer genom en väg som innehåller syre, snarare än direkt.

"Vi tror att det kan vara en av faktorerna som styr supraledning och orsakar den lägre kritiska temperaturen hos nickelaten", sa hon. "Vi kan leta efter sätt att optimera den egenskapen."

Botana och kollegor Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett beskrev några av dessa skillnader i en översiktsartikel för Frontiers in Physics i februari 2022.

Söker efter bakomliggande orsaker till supraledning

Skriver i Physical Review X i mars 2022 grävde Botana och medarbetare från Brookhaven National Laboratory och Argonne National Labs djupare in i syretillståndens roll i lågvalensnickelatet La₄ Ni₃ O₈ . Med hjälp av beräkningsmetoder och experimentella metoder jämförde de materialet med en prototypisk kuprat med en liknande elektronfyllning. Arbetet var unikt genom att det direkt mätte energin i de nickel-syrehybridiserade tillstånden.

De fann att trots att de krävde mer energi för att överföra laddningar, behöll nickelater en ansenlig kapacitet för superexchange. De drar slutsatsen att både "Coulomb-interaktionerna" (attraktion eller avstötning av partiklar eller föremål på grund av deras elektriska laddning) och laddningsöverföringsprocesser måste beaktas när man tolkar egenskaperna hos nickelater.

De kvantfenomen som Botana studerar förekommer i minsta skalor som är kända och kan endast undersökas snett genom fysiska experiment (som i Physical Review X papper). Botana använder beräkningssimuleringar för att göra förutsägelser, hjälpa till att tolka experiment och härleda beteendet och dynamiken hos material som oändligt nickelat.

Hennes forskning använder Density Functional Theory, eller DFT – ett sätt att beräkningsmässigt lösa Schrödinger-ekvationen som beskriver vågfunktionen hos ett kvantmekaniskt system – såväl som en nyare, mer exakt utlöpare känd som dynamisk medelfältteori som kan behandla elektroner som är starkt korrelerade.

För att utföra sin forskning använder Botana superdatorn Stampede2 från Texas Advanced Computing Center (TACC) – den näst snabbaste vid något universitet i USA – samt maskiner vid Arizona State University. Även på de snabbaste superdatorerna i världen är det ingen enkel sak att studera kvantmaterial.

"Om jag ser ett problem med för många atomer, säger jag," Jag kan inte studera det," sa Botana. "För tjugo år sedan kunde några atomer ha sett för mycket ut." Men kraftfullare superdatorer tillåter fysiker att studera större, mer komplicerade system – som nickelater – och lägga till verktyg, som dynamisk medelfältteori, som bättre kan fånga kvantbeteende.

Trots att de lever i en upptäcktsgyllene tidsålder har fältet för kondenserad materiens fysik fortfarande inte det rykte det förtjänar, säger Botana.

"Din telefon eller dator skulle inte vara möjlig utan forskning i den kondenserade materiens fysik – från skärmen, till batteriet, till den lilla kameran. Det är viktigt för allmänheten att förstå det även om det är grundforskning, och även om forskarna gör det" För att veta hur det kommer att användas senare är den här typen av materialforskning kritisk." + Utforska vidare

Modifierade nickelatmaterial kan förbättra förståelsen av supraledning vid hög temperatur