Команда успешно синтезировала монокристаллы металлического трехслойного соединения никелата, что, по мнению исследователей, является первым.«Он готов к сверхпроводимости, чего нет в других оксидах никеля. Мы очень надеемся, что все, что нам нужно сделать сейчас, это найти правильную концентрацию электронов».Это соединение оксида никеля не является сверхпроводником, сказал Джон Митчелл, заслуженный научный сотрудник Аргонны и заместитель директора отдела материаловедения лаборатории, который руководил проектом, который сочетал рост кристаллов, рентгеновскую спектроскопию и вычислительную теорию.
Но, добавил он, «он готов к сверхпроводимости, чего нет в других оксидах никеля. Мы очень надеемся, что все, что нам нужно сделать сейчас, это найти правильную концентрацию электронов».Митчелл и семь соавторов объявили о своих результатах в выпуске журнала Nature Physics на этой неделе.Сверхпроводящие материалы технологически важны, потому что электричество проходит через них без сопротивления.
Высокотемпературные сверхпроводники могут привести к созданию более быстрых и эффективных электронных устройств, сетей, которые могут передавать энергию без потерь энергии, и сверхбыстрых парящих поездов, которые ездят на магнитах без трения вместо рельсов.До 1986 года казалось возможным только низкотемпературная сверхпроводимость, но материалы, которые обладают сверхпроводимостью при низких температурах, непрактичны, потому что их сначала нужно охладить до сотен градусов ниже нуля. Однако в 1986 году открытие высокотемпературной сверхпроводимости в соединениях оксида меди, называемых купратами, создало новый технологический потенциал для этого явления.
Но после трех десятилетий последовавших исследований, как именно работает купратная сверхпроводимость, остается определяющей проблемой в этой области. Один из подходов к решению этой проблемы заключался в изучении соединений, которые имеют кристаллическую, магнитную и электронную структуру, аналогичную купратам.Оксиды на основе никеля — никелаты — долгое время считались потенциальными аналогами купрата, потому что этот элемент находится непосредственно рядом с медью в периодической таблице. Пока что, как заметил Митчелл, «это был неудачный квест».
Как он и его соавторы отметили в своей статье в Nature Physics: «Ни один из этих аналогов не был сверхпроводящим, а некоторые даже металлическими».Никелат, созданный командой Аргонна, представляет собой квазидвумерное трехслойное соединение, что означает, что он состоит из трех слоев оксида никеля, разделенных разделительными слоями оксида празеодима.«Таким образом, структурно и электронно он выглядит более двухмерным, чем трехмерным», — сказал Митчелл.
Этот никелат и соединение, содержащее лантан, а не празеодим, имеют квазидвумерную трехслойную структуру. Но аналог лантана является неметаллическим и использует так называемую фазу «полосы заряда», электронное свойство, которое делает материал изолятором, противоположным сверхпроводнику.«По какой-то пока неизвестной причине система празеодима не формирует эти полосы», — сказал Митчелл. «Он остается металлическим и поэтому, безусловно, является более вероятным кандидатом на сверхпроводимость».Аргонн — одна из немногих лабораторий в мире, где можно было создать это соединение.
Печь с плавающей зоной высокого давления для создания оптических изображений, созданная Отделением материаловедения, обладает особыми возможностями. Он может достигать давления 150 атмосфер (что эквивалентно давлению дробления, обнаруженному на глубине океана почти 5000 футов) и температуре около 2000 градусов по Цельсию (более 3600 градусов по Фаренгейту), условий, необходимых для выращивания кристаллов.
«Мы не знали наверняка, что сможем сделать эти материалы», — сказал Аргоннский исследователь, получивший докторскую степень, Цзюньцзе Чжан, первый автор исследования. Но действительно, им удалось вырастить кристаллы диаметром несколько миллиметров (небольшую долю дюйма).Исследовательская группа подтвердила, что электронная структура никелата похожа на структуру купратных материалов, выполнив измерения спектроскопии поглощения рентгеновских лучей в Advanced Photon Source, пользовательском центре Министерства энергетики США, а также выполнив расчеты теории функционала плотности. Материаловеды используют теорию функционала плотности для исследования электронных свойств систем конденсированного состояния.
«Всю свою карьеру я не делал высокотемпературные сверхпроводники», — пошутил Митчелл. Но это может измениться на следующем этапе исследований его команды: попытка вызвать сверхпроводимость в никелатном материале с помощью химического процесса, называемого электронным легированием, при котором в материал намеренно добавляются примеси, чтобы повлиять на его свойства.