AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Ultradunne nikkelaatfilm gedraagt zich anders dan verwachte supergeleiders
Chinese onderzoekers hebben in een ultradunne laag van het materiaal lanthaan-nikkel-oxide een vorm van supergeleiding ontdekt die niet lijkt op die van bekende hoge-temperatuursupergeleiders. De ontdekking, gepubliceerd in Nature Physics, geeft nieuwe aanwijzingen over hoe elektronen in dit materiaal paren vormen zonder elektrische weerstand.
Supergeleiders geleiden stroom zonder energieverlies, maar alleen onder een bepaalde temperatuur. De meeste materialen moeten daarvoor extreem koud worden gemaakt, wat kostbaar en onpraktisch is. Sommige zogeheten onconventionele supergeleiders werken bij relatief hogere temperaturen, wat hoop geeft op toepassingen met minder zware koeling. Een team van onder meer de Nanjing University, de University of Science and Technology of China en de Hong Kong Polytechnic University onderzocht nu een veelbelovende kandidaat: La₃Ni₂O₇, een nikkelaat dat bij extreem hoge druk al supergeleiding vertoonde tot ongeveer -193°C.
De onderzoekers slaagden erin om dunne, met strontium verrijkte films van dit materiaal te maken die ook zonder hoge druk supergeleidend zijn. Dat is een belangrijke stap, want metingen onder hoge druk zijn lastig uit te voeren. Voor het kweken van de films gebruikten ze dunnefilmdepositie, een techniek waarbij materiaal laag voor laag wordt opgebouwd op atomair niveau. Door lanthaanatomen deels te vervangen door strontium en de film te behandelen met ozon, kregen de onderzoekers grip op de hoeveelheid elektronen en de zuiverheid van het oppervlak.
Meten met licht in Shanghai
Om te zien wat er precies gebeurt als het materiaal supergeleidend wordt, gebruikten de onderzoekers hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) bij de Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Bij deze techniek beschijnen wetenschappers een oppervlak met licht en meten ze de energie en bewegingsrichting van de elektronen die daardoor vrijkomen. Zo brachten ze de zogeheten supergeleidende gap in kaart: het energiegebied waarin geen enkel elektron meer voorkomt zodra elektronen zich in paren, ook wel Cooperparen genoemd, aan elkaar binden.
De eerste metingen faalden door verstoringen op het oppervlak van de film. Pas na maanden verfijnen van het transportproces tussen de twee laboratoria en het kalibreren van de meetopstelling zagen de onderzoekers duidelijke, herhaalbare signalen.
Ander gedrag dan bekende supergeleiders
De resultaten wijken af van wat bekend is van cupraatsupergeleiders, een familie van koperoxides die decennialang de bekendste hoge-temperatuursupergeleiders waren. Bij cupraten valt de supergeleidende gap op bepaalde plekken volledig weg. Bij het nikkelaat bleef de gap juist overal open, wat duidt op een ander soort elektronenparing dan de zogenoemde d-golfkoppeling van cupraten. Ook bleek een van de betrokken elektronenbanen, afkomstig van het nikkel-3dz²-orbitaal, niet actief mee te doen aan de geleiding: deze zit door structurele spanning in de film net onder het relevante energieniveau.
De bevindingen leveren belangrijke aanwijzingen op voor natuurkundigen die een theoretisch model proberen te bouwen voor hoge-temperatuursupergeleiding in nikkelaten. Omdat dit materiaal een ander elektronengedrag vertoont dan cupraten, kan het uiteindelijk helpen om te begrijpen waarom sommige materialen bij relatief hoge temperaturen supergeleidend worden — kennis die op termijn kan bijdragen aan efficiëntere stroomkabels, krachtiger magneten of nieuwe kwantumtechnologie.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze ontdekking laat zien dat nikkelaten een geheel eigen route naar hoge-temperatuursupergeleiding volgen, los van de bekende cupraten. Beter begrip van dit mechanisme kan op termijn helpen bij het ontwerpen van materialen die bij hogere temperaturen supergeleidend zijn, wat energieverlies in stroomnetten en krachtige magneten zou kunnen verminderen.
- Supergeleiding
- Het verschijnsel waarbij een materiaal onder een bepaalde temperatuur elektrische stroom geleidt zonder enige weerstand.
- Nikkelaat
- Een verbinding van nikkel en zuurstof, hier gecombineerd met lanthaan, die onder de juiste omstandigheden supergeleidend kan worden.
- Cooperpaar
- Twee elektronen die zich in een supergeleider aan elkaar binden en daardoor zonder weerstand door het materiaal kunnen bewegen.
- Supergeleidende gap
- Het energiegebied waarin geen vrije elektronen voorkomen zodra een materiaal supergeleidend wordt; de vorm van deze gap verraadt hoe elektronen paren vormen.
- Moleculaire-bundelepitaxie (MBE)
- Een precisietechniek waarbij dunne materiaallagen atoom voor atoom worden opgebouwd in een vacuümkamer.
- d-golfkoppeling
- Het type elektronenparing dat kenmerkend is voor cupraatsupergeleiders, waarbij de supergeleidende gap op specifieke plekken tot nul daalt.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
