Christopher Parzyck hade gjort allt rätt. Parzyck, en postdoktoral forskare, hade tagit med sina nickelatprover - en nyupptäckt familj av supraledare - till en synkrotronstrållinje för röntgenspridningsexperiment. Han mätte sina prover, som han hade syntetiserat med en ny metod, i hopp om att upptäcka den misstänkta närvaron av "laddningsordning" - ett fenomen där elektroner självorganiserar sig i periodiska mönster. Fenomenet har kopplats till supraledning vid hög temperatur.
Men det fanns ingen betydande avgiftsordning i hans prover. Inga.
"Han kom tillbaka och sa:'De bättre proverna visade det inte'", säger Kyle Shen, James A. Weeks professor i fysikaliska vetenskaper vid College of Arts and Sciences, som övervakade projektet. "Vi tänkte:"Åh, det är verkligen konstigt. Jag förstår det inte."
Ibland blir forskare så förbannade att de inte har något annat val än att lägga sina hypoteser åt sidan, kavla upp ärmarna och ta på sig deckarmössan. Efter en del omfattande efterforskningar insåg Parzyck, Shen och deras medarbetare att de faktiskt hade gjort allt rätt.
Enligt resultat publicerade 26 januari i Nature Materials , producerade Parzycks nya syntesmetod nickelater som var så rena att de var fria från de brister som hade fläckat tidigare studier av nickelater. Betalningsordern hade aldrig funnits. De jagade en fantom.
"Tidigare rapporter sa att de ser denna avgiftsordning, men det fanns alla dessa inkonsekvenser," sa Shen. "Chris utvecklade ett mer kontrollerat sätt att tillverka dessa material som effektivt begränsar antalet defekter. Överskott av syreatomer maskerade sig som en signatur för laddningsordningen."
Under de senaste åren har nickelater varit föremål för stort intresse eftersom de är nyfunna nära kusiner till de välkända "cuprates", en familj av kopparoxidbaserade supraledare som kan ha höga övergångstemperaturer, uppåt 100 Kelvin, vid vilken tidpunkt elektriskt motstånd försvinner, medan för konventionella supraledare, såsom bly eller niob, är deras övergångar under 10 Kelvin. Högtemperatursupraledare är mycket lättare att kyla och är därför mycket mer lovande för potentiella framtida tillämpningar.
Ända sedan cuprates först upptäcktes i slutet av 1980-talet har forskare sökt liknande supraledande familjer som kan peka ut de nyckelegenskaper som möjliggör supraledning vid hög temperatur.
"En uppenbar plats att leta är nickel, eftersom nickel är precis bredvid koppar på det periodiska systemet," sa Shen. "Så folk trodde att vi kanske kan göra lite materialsyntesmagi och göra nickelhaltiga föreningar ungefär som kuprater. Den idén fanns för 30 år sedan. Anledningen till att det tog så lång tid att inse är att det visar sig att nickelatsupraledare är riktigt svåra att göra. "
Andra forskare hade syntetiserat nickelater - som är sammansatta av nickel, syre och ett sällsynt jordartsmetallelement - genom att först odla ett "prekursor"-material och sedan exponera det materialet för en vätekälla och värma dem inuti ett förseglat rör. Under loppet av en dag eller så drar vätet ut ungefär en tredjedel av materialets syremolekyler, vilket Shen jämförde med att ta bort block i en omgång Jenga.
"Att syntetisera dessa material är lite av en mardröm", sa han.
Parzyck och Shen utarbetade en alternativ teknik där syret avlägsnas med en stråle av atomärt väte, en process som vanligtvis används för att rengöra halvledarytor, men som aldrig har använts för materialsyntes. Atomisk vätgasreduktion ger forskarna större oberoende kontroll över mängden väte som tillförs, förutom variabler som tid och tryck. Processen kan slutföras på minuter, snarare än timmar eller en dag.
"Att utveckla reduktionstekniken var en lång och utmanande process i och för sig", sa Parzyck. "När jag först började, försökte jag tillämpa förhållanden som de som används vid traditionell kalciumhydridreduktion - låga temperaturer under relativt långa tidsperioder - men provkvaliteten var alltid låg och inte särskilt konsekvent. Det var inte förrän jag bestämde mig för att börja om och gå i en helt annan riktning – välja högre temperaturer under så kort varaktighet som möjligt – att jag verkligen fann framgång."
Efter att deras synkrotronexperiment misslyckades med att visa "resonansspridningstoppen" som borde ha signalerat närvaron av laddningsordning, började forskarna variera mängden syre som de tog bort.
"Det verkliga genombrottet kom när vi började mäta proverna som vi målmedvetet förberedde för att ha överskott av syre och såg ett mycket starkt, tydligt svar - sedan hade vi en gångbar alternativ förklaring till toppens ursprung och till slut visste vi att vi gick i rätt riktning, " sa Parzyck.
För att bekräfta sina misstankar samarbetade de med framlidna Lena Kourkoutis, M.S. '06, Ph.D. '09, docent i tillämpad och teknisk fysik, David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik och deras doktorand Lopa Bhatt, som använde elektronmikroskopi för att direkt verifiera att spårmängder av syre i proverna verkligen orsakade den falska laddningen -ordersignal.
Teamet har inte bara identifierat en avgörande skillnad mellan kuprat- och nickelatsupraledare; de har nu en mer tillförlitlig metod för att odla renare prover som potentiellt kan användas för ett större antal experiment, med lite mindre mystik.
Mer information: C. T. Parzyck et al, Frånvaro av 3a0 laddningstäthet vågordning i det oändliga skiktet nickelat NdNiO2, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01797-0
Tillhandahålls av Cornell University
