Finne superledning i nikkelater

Studiet av superledning er full av skuffelser, blindveier og serendipitøse oppdagelser, ifølge Antia Botana, professor i fysikk ved Arizona State University.

“Som teoretikere mislykkes vi generelt i å forutsi nye superledere,” sa hun.

I 2021 opplevde hun imidlertid høydepunktet i sin tidlige karriere. I samarbeid med eksperimentalisten Julia Mundy ved Harvard University oppdaget hun et nytt superledende materiale – et femlags nikkelat. De rapporterte funnene sine i Naturmaterialer i september 2021.

“Det var et av de beste øyeblikkene i livet mitt,” husket Botana. “Jeg fløy tilbake fra Spania, og jeg mottok en melding fra min samarbeidspartner Julia Mundy under oppholdet. Da jeg så resistivitet fall til null – det er ikke noe bedre enn det.”

Botana ble valgt som Sloan Research Fellow i 2022. Forskningen hennes er støttet av en CAREER-pris fra National Science Foundation (NSF).

“Prof. Botana er en av de mest innflytelsesrike teoretikere innen ukonvensjonell superledningspesielt i lagdelte nikkelater som har fått enorm oppmerksomhet fra material- og kondensert materiefysikkmiljøene,” sa Serdar Ogut, programdirektør i avdelingen for materialforskning ved National Science Foundation. “Jeg forventer at hennes banebrytende teoretiske studier, i samarbeid med ledende eksperimentalister i USA, vil fortsette å presse grensene, resultere i oppdagelsen av nye superledende materialer og avdekke grunnleggende mekanismer som en dag kan bane vei for romtemperatur superledning.”

Superledning er et fenomen som oppstår når elektroner danner par i stedet for å reise isolert, frastøter all magnetisme og lar elektroner reise uten å miste energi. Å utvikle superledere i romtemperatur vil tillate tapsfri elektrisitetsoverføring og raskere, billigere kvantedatamaskiner. Å studere disse materialene er domenet til teorien om kondensert materie.

“Vi prøver å forstå hva som heter kvantematerialer– Materialer der alt det klassiske vi lærte i grunnstudiene våre faller fra hverandre og ingen forstår hvorfor de gjør de morsomme tingene de gjør,» spøkte Botana.

Hun begynte å undersøke nikkelaterstort sett for bedre å forstå cuprates— Kobberoksidbaserte superledere ble først oppdaget i 1986. Tretti år senere er mekanismen som produserer superledning i disse materialene fortsatt sterkt omstridt.

Botana nærmer seg problemet ved å se på materialer som ser ut som cuprates. “Kobber og nikkel er rett ved siden av hverandre på det periodiske systemet,” sa hun. “Dette var en opplagt ting å gjøre, så folk hadde sett på nikkelater i lang tid uten å lykkes.”

Men så, i 2019, oppdaget et team fra Stanford superledning i en nikkelat, om enn en som hadde blitt “dopet” eller kjemisk endret for å forbedre dens elektroniske egenskaper. “Materialet de fant i 2019 er en del av en større familie, og det er det vi ønsker, fordi det lar oss gjøre sammenligninger med cuprates på en bedre måte,” sa hun.

Botanas oppdagelse i 2021 bygde på dette fundamentet, ved å bruke en form for udopet nikkelat med en unik, kvadratisk plan, lagdelt struktur. Hun bestemte seg for å undersøke denne spesifikke formen for nikkelat – en sjeldne jordart, femdobbelt lag, firkantet plan nikkelat – basert på intuisjon.

“Etter å ha lekt med mange forskjellige materialer i årevis, er det den typen intuisjon som folk som studerer elektronisk struktur utvikler,” sa hun. “Jeg har sett det opp gjennom årene med mine mentorer.”

Å identifisere en annen form for superledende nikkelat lar forskerne erte likheter og forskjeller mellom nikkelater, og mellom nikkelater og kuprater. Så langt, jo mer nikkelater som er studert, jo mer ligner de på cuprates.

“Fasediagrammet virker ganske likt. Elektronparingsmekanismen ser ut til å være den samme,” sier Botana, “men dette er et spørsmål som ennå ikke er avgjort.”

Konvensjonelle superledere viser s-bølgeparing – elektroner kan pares i alle retninger og kan sitte oppå hverandre, så bølgen er en kule. Nikkelater, på den annen side, viser sannsynligvis d-bølgeparing, noe som betyr at den skylignende kvantebølgen som beskriver de sammenkoblede elektronene er formet som en firkløver. En annen nøkkelforskjell er hvor sterkt oksygen og overgangsmetaller overlapper i disse materialene. Cuprates viser en stor “super-utveksling” – materialet handler elektroner i kobberatomer gjennom en vei som inneholder oksygen, i stedet for direkte.

“Vi tror det kan være en av faktorene som styrer superledning og forårsaker den lavere kritiske temperaturen til nikkelatene,” sa hun. “Vi kan se etter måter å optimalisere den egenskapen.”

Botana og kollegene Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett beskrev noen av disse forskjellene i en oversiktsartikkel for Grenser i fysikk i februar 2022.

Søker etter grunnleggende årsaker til superledning

Skriver inn Fysisk gjennomgang X i mars 2022 fordypet Botana og samarbeidspartnere fra Brookhaven National Laboratory og Argonne National Labs dypere inn i rollen til oksygentilstander i lavvalens nikkelat La₄I₃O₈. Ved å bruke beregningsmetoder og eksperimentelle metoder sammenlignet de materialet med et prototypisk kuprat med en lignende elektronfylling. Arbeidet var unikt ved at det direkte målte energien til de nikkel-oksygen-hybridiserte tilstandene.

De fant at til tross for at de krever mer energi for å overføre ladninger, beholdt nikkelater en betydelig kapasitet for superutveksling. De konkluderer med at både “Coulomb-interaksjonene” (tiltrekning eller frastøting av partikler eller gjenstander på grunn av deres elektriske ladning) og ladningsoverføringsprosesser må vurderes når man tolker egenskapene til nikkelater.

Kvantefenomenene som Botana studerer forekommer i de minste skalaene som er kjent og kan bare undersøkes skrått ved fysiske eksperimenter (som i Fysisk gjennomgang X papir). Botana bruker beregningssimuleringer for å lage spådommer, hjelpe til med å tolke eksperimenter og utlede oppførselen og dynamikken til materialer som uendelig lag nikkelat.

Forskningen hennes bruker Density Functional Theory, eller DFT – et middel for beregningsmessig å løse Schrödinger-ligningen som beskriver bølgefunksjon av et kvantemekanisk system – så vel som en nyere, mer presis avlegger kjent som dynamisk middelfeltteori som kan behandle elektroner som er sterkt korrelert.

For å utføre forskningen sin bruker Botana Stampede2-superdatamaskinen til Texas Advanced Computing Center (TACC) – den nest raskeste ved et universitet i USA – samt maskiner ved Arizona State University. Selv på de raskeste superdatamaskinene i verden er det ingen enkel sak å studere kvantematerialer.

“Hvis jeg ser et problem med for mange atomer, sier jeg,” Jeg kan ikke studere det,” sa Botana. “For tjue år siden kunne noen få atomer ha sett for mye ut.” Men kraftigere superdatamaskiner lar fysikere studere større, mer kompliserte systemer – som nikkelater – og legge til verktøy, som dynamisk middelfeltteori, som bedre kan fange opp kvanteatferd.

Til tross for at de lever i en gullalder for oppdagelser, har feltet for kondensert materiefysikk fortsatt ikke det ryktet det fortjener, sier Botana.

“Telefonen din eller datamaskinen din ville ikke vært mulig uten forskning i kondensert materie-fysikk – fra skjermen, til batteriet, til det lille kameraet. Det er viktig for publikum å forstå det selv om det er grunnleggende forskning, og selv om forskerne gjør det” For å vite hvordan det vil bli brukt senere, er denne typen forskning på materialer kritisk.”

---

---