Η υπεραγωγιμότητα είναι μια κβαντική κατάσταση της ύλης που χαρακτηρίζεται από μηδενική ηλεκτρική αντίσταση και την αποβολή των μαγνητικών πεδίων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αν και συνήθως εμφανίζεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, ορισμένα υλικά, τα ονομαζόμενα υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών (high-Tc), παρουσιάζουν αυτή την ιδιότητα σε σημαντικά υψηλότερα επίπεδα θέρμανσης.
Πρόσφατα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Nanjing και το Εθνικό Εργαστήριο Μικροδομών Στερεάς Κατάστασης ανακάλυψαν ενδείξεις τέτοιας υπεραγωγιμότητας σε ένα λεπτό υμένιο νικελίου (nickelate).
Η πρόκληση της σύνθεσης και η τεχνική MBE
Η δημιουργία αυτών των υμενίων απαιτεί ακρίβεια ατομικής κλίμακας. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε την τεχνική της επιταξίας μοριακής δέσμης (Molecular Beam Epitaxy – MBE), η οποία επιτρέπει τη στοίβαξη των υλικών στρώμα-στρώμα, σαν ατομικά «LEGO», δημιουργώντας κρυσταλλικές δομές που δεν υπάρχουν στη φύση.
Οι ερευνητές καλλιέργησαν λεπτά υμένια του La3Ni2O7 πάνω σε υποστρώματα που συμπίεζαν την κρυσταλλική του δομή. Για να χαρτογραφήσουν τον «θόλο», χρησιμοποίησαν δύο μεθόδους ρύθμισης: το ντοπάρισμα με στρόντιο και την ανόπτηση σε κενό για τον έλεγχο των κενών οξυγόνου.
Σύγκριση με τους υπεραγωγούς χαλκού
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήματα ήταν ότι η υπεραγωγιμότητα κορυφώνεται όταν ο λεγόμενος συντελεστής Hall αλλάζει πρόσημο. Αυτό υποδηλώνει ότι οι κυρίαρχοι φορείς φορτίου αλλάζουν από οπές σε ηλεκτρόνια. Αυτή η συμπεριφορά μοιάζει πολύ με εκείνη των χαλκούχων υπεραγωγών (cuprates), γεγονός που υποδεικνύει ότι η υπεραγωγιμότητα στα νικέλια μπορεί να σχετίζεται στενά με την ανακατασκευή της επιφάνειας Fermi και την ηλεκτρονική συμμετρία.
Μελλοντικές προοπτικές στην «Εποχή του Νικελίου»
Η χαρτογράφηση αυτού του διαγράμματος φάσης αποτελεί σημαντικό βήμα για τη βελτίωση των θεωριών που περιγράφουν τη φυσική των νικελίων.
Ο απώτερος στόχος είναι ο σχεδιασμός υλικών που θα παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Το επόμενο βήμα της ομάδας περιλαμβάνει τη χρήση προηγμένης φασματοσκοπίας ARPES για την άμεση οπτικοποίηση των αλλαγών στην ηλεκτρονική δομή κατά τη μετάβαση των φορέων φορτίου.