Nikkelaat: de nieuwe supergeleiders van nikkeloxide

Stel een elektriciteitskabel voor als een snelweg vol auto's. In een gewone kabel botsen die auto's voortdurend tegen hobbels in het wegdek: dat kost energie, die als warmte verloren gaat. Dat noemen natuurkundigen elektrische weerstand. In een supergeleider verdwijnt die weerstand bij lage temperatuur volledig: de elektronen rijden eindeloos door zonder ook maar iets van hun energie kwijt te raken. Nikkelaat is de naam voor een familie van materialen — kristallen van nikkel en zuurstof, meestal met een beetje lanthaan, neodymium of strontium erbij — waarin onderzoekers sinds 2019 dit verschijnsel hebben aangetoond.

Het bijzondere aan nikkelaat is niet dat het de eerste supergeleider ooit is; die kennen we al meer dan honderd jaar. Het bijzondere is dat het een compleet nieuwe familie vormt die qua opbouw sterk lijkt op de beroemde cupraten, koperoxide-supergeleiders die sinds 1986 het ene na het andere temperatuurrecord braken. Decennialang zochten natuurkundigen naar een niet-koperen variant om te snappen of koper zelf essentieel is voor supergeleiding bij relatief hoge temperatuur, of dat iets anders in de kristalstructuur de echte sleutel is. Nikkel, de buurman van koper in het periodiek systeem, bleek uiteindelijk de eerste kandidaat die werkelijk werkte. Voor lezers van deze site is dat relevant omdat het laat zien hoe fundamenteel materiaalonderzoek — vaak uitgevoerd in laagjes van slechts enkele atomen dik — nieuwe aanwijzingen oplevert voor de zoektocht naar stroomnetten, magneten en elektronica zonder energieverlies.

Wat is het precies?

Nikkelaat is een verzamelnaam voor kristallen die zijn opgebouwd uit lagen nikkelatomen omringd door zuurstofatomen, afgewisseld met lagen van een ander metaal zoals lanthaan of neodymium. Die nikkel-zuurstoflagen, NiO2-vlakken genoemd, vormen het hart van het materiaal: daarin bewegen de elektronen die verantwoordelijk zijn voor de supergeleiding. Deze opbouw lijkt sterk op die van de cupraten, waar juist koper-zuurstofvlakken (CuO2) de hoofdrol spelen.

Voor supergeleiding moet het nikkel in een ongebruikelijke oxidatietoestand verkeren: Ni1+, waarbij het atoom slechts één elektron heeft afgestaan in plaats van de gebruikelijke twee of drie. Dat geeft het nikkelatoom een elektronenconfiguratie die vrijwel identiek is aan die van koper in cupraten. Dit soort nikkel komt niet vanzelf in de natuur voor en is instabiel; het moet kunstmatig worden gemaakt.

Dat gebeurt doorgaans in twee stappen. Eerst laten onderzoekers met een laser een dun kristallaagje groeien op een drager, een techniek die pulsed laser deposition heet. Vervolgens wordt dat laagje chemisch 'uitgekleed': met een reductiemiddel zoals calciumhydride worden zuurstofatomen uit het kristalrooster gehaald, waardoor het gewenste, instabiele Ni1+ ontstaat. Vaak wordt ook een klein deel van het lanthaan of neodymium vervangen door strontium, 'doping' genoemd, om extra vrije ladingsdragers in het materiaal te brengen — net zoals bij cupraten nodig is om ze supergeleidend te maken.

Naast deze zogeheten infinite-layer nikkelaten, met telkens één NiO2-vlak per bouwsteen, bestaan er ook varianten met twee of drie van die vlakken achter elkaar, bilaag- en trilaag-nikkelaten genoemd (bijvoorbeeld La3Ni2O7 en La4Ni3O10). Die kunnen wél als massief kristal worden gegroeid in plaats van als dun laagje, maar worden vooralsnog pas supergeleidend onder extreem hoge druk: tientallen gigapascal, oftewel tienduizenden keren de druk van de dampkring op aarde.

Wat wil men ermee bereiken?

Het einddoel van decennia supergeleidingsonderzoek is een materiaal dat al bij kamertemperatuur, zonder koeling en zonder extreme druk, stroom foutloos geleidt. Dat zou elektriciteitskabels vrijwel verliesvrij maken, extreem sterke magneten mogelijk maken voor MRI-scanners en fusiereactoren, en elektronica opleveren die niet warm wordt. Nikkelaat brengt dat doel niet meteen dichterbij in de vorm van bruikbare producten, maar wel in begrip van het onderliggende mechanisme.

Door een tweede, onafhankelijke familie van hogetemperatuursupergeleiders te hebben naast de cupraten, kunnen natuurkundigen vergelijken: wat hebben beide families gemeen, en wat juist niet? Dat helpt om theorieën over zogeheten 'onconventionele' supergeleiding te toetsen. Bij klassieke supergeleiders zoals lood of niobium, al in de twintigste eeuw ontdekt, begrijpen natuurkundigen vrij precies waarom ze werken: trillingen in het kristalrooster koppelen elektronen aan elkaar. Bij cupraten en nikkelaten ontbreekt na bijna veertig jaar onderzoek nog altijd een sluitende verklaring.

Daarnaast hopen onderzoekers dat het bestuderen van nikkelaten sneller inzicht geeft in hoe je een materiaal kunt ontwerpen dat bij hogere temperatuur en lagere druk supergeleidend is dan de huidige cupraten. Die werken tot ongeveer min 135 graden Celsius bij normale druk, wat nog altijd koeling met vloeibare stikstof vereist — praktisch, maar verre van kamertemperatuur.

Voorbeelden uit de praktijk

• 2019, Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory (VS): een team rond Danfeng Li en Harold Hwang toont voor het eerst supergeleiding aan in een dun laagje van het infinite-layer nikkelaat neodymium-strontium-nikkeloxide (Nd0,8Sr0,2NiO2). De kritische temperatuur, het punt waaronder het materiaal supergeleidend wordt, ligt rond de 9 tot 15 kelvin — bijna 260 graden onder nul. Bescheiden qua temperatuur, maar wetenschappelijk baanbrekend als eerste niet-koperen lid van deze familie.
• 2021, verschillende groepen wereldwijd: onder meer onderzoekers verbonden aan de Universiteit van Tokio en Chinese universiteiten reproduceren en verbreden het resultaat met verwante nikkelaten, waaronder praseodymium- en lanthaanvarianten. Dit bevestigt dat het geen toevalstreffer was, maar een echte materiaalklasse.
• 2023, Sun Yat-sen University en Institute of Physics van de Chinese Academy of Sciences: een team onder leiding van Meng Wang vindt supergeleiding in massieve kristallen van het bilaag-nikkelaat La3Ni2O7, onder een druk van ruim 10 gigapascal. De kritische temperatuur schiet omhoog tot rond de 80 kelvin, in de buurt van het kookpunt van vloeibare stikstof en veel hoger dan de infinite-layer nikkelaten van 2019.
• 2023-2024, diverse Chinese onderzoeksgroepen: ook het verwante trilaag-nikkelaat La4Ni3O10 blijkt onder hoge druk supergeleidend, met een lagere kritische temperatuur van naar schatting 20 tot 30 kelvin. Dit versterkt het beeld van een hele familie van drukafhankelijke nikkelaat-supergeleiders.
• 2024, meerdere laboratoria: eerste, nog niet volledig uitgekristalliseerde pogingen om bilaag-achtige nikkelaten als dunne film te maken waarbij mechanische rek in het kristalrooster de rol van hoge druk zou kunnen overnemen. Doel: supergeleiding bij normale luchtdruk. De resultaten worden nog kritisch bediscussieerd binnen de vakgemeenschap.

Hoe ver is de techniek?

Nikkelaat-supergeleiding is puur fundamenteel onderzoek, geen technologie die op afzienbare termijn in producten belandt. De infinite-layer nikkelaten uit 2019 worden pas supergeleidend bij temperaturen die alleen met vloeibaar helium haalbaar zijn, en de veelbelovende bilaag-nikkelaten uit 2023 hebben weliswaar een hogere kritische temperatuur, maar vereisen drukken die in het laboratorium alleen worden bereikt met een zogeheten diamantaambeeldcel: twee tegen elkaar gedrukte diamantpuntjes die een kristal van een fractie van een millimeter samenpersen. Dat is bruikbaar voor onderzoek, maar volstrekt onpraktisch voor een stroomkabel of magneet.

Een tweede obstakel is de omvang van de samples: de onderzochte kristallen zijn vaak niet groter dan een zandkorrel, wat het meten en reproduceren van resultaten lastig maakt. Ook is nog niet volledig uitgesloten dat sommige waarnemingen deels het gevolg zijn van kleine, plaatselijke ('filamentaire') stroompaadjes in plaats van supergeleiding door het hele kristal — een kwestie die met vervolgexperimenten wordt uitgezocht.

Het achterliggende mechanisme is bovendien nog niet opgehelderd. Nikkelaten blijken qua elektronengedrag ingewikkelder dan cupraten, met een grotere rol voor meerdere elektronenbanen tegelijk. Dat maakt de theorie lastiger, maar levert ook nieuwe aanknopingspunten op. Sinds 2019 gaat de vooruitgang overigens relatief snel: binnen vier jaar steeg de hoogst waargenomen kritische temperatuur van circa 15 naar circa 80 kelvin, weliswaar met de kanttekening dat daar wel een enorme drukverhoging voor nodig was. Of en wanneer een nikkelaat ooit zonder hoge druk een vergelijkbaar hoge temperatuur haalt, is nog volstrekt onzeker.

Wie werken eraan?

De Verenigde Staten en China zijn de twee zwaartepunten in dit onderzoeksveld. In de VS speelt Stanford University samen met het naastgelegen SLAC National Accelerator Laboratory een sleutelrol, met de groep van Harold Hwang als pionier van de infinite-layer nikkelaten. Ook het Brookhaven National Laboratory en de University of Minnesota dragen bij, onder meer met materiaalkarakterisering met röntgen- en neutronenbundels.

In China zijn onder meer Sun Yat-sen University, het Institute of Physics van de Chinese Academy of Sciences in Peking en Nanjing University toonaangevend; hier vond de doorbraak met bilaag-nikkelaten onder hoge druk plaats. In Japan onderzoekt de Universiteit van Tokio verwante nikkelaatvarianten, en in Europa buigen onder meer het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart en ETH Zürich zich over de theoretische kant en de elektronische structuur van deze materialen.

Verder lezen

• Nature — het vakblad waarin de belangrijkste doorbraken over nikkelaat-supergeleiding zijn gepubliceerd.
• SLAC National Accelerator Laboratory — onderzoeksinstituut van de ontdekkers van de eerste nikkelaat-supergeleider.
• Physics Magazine (American Physical Society) — toegankelijke duidingsartikelen over nieuwe ontwikkelingen in supergeleiding.
• arXiv — preprintserver waar veel nikkelaat-onderzoek als eerste wordt gepubliceerd, nog voor peer review.