Odkąd miedziany odkryto po raz pierwszy pod koniec lat 80. XX wieku, naukowcy poszukiwali podobnych rodzin nadprzewodników, które mogłyby określić kluczowe właściwości umożliwiające powstanie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.
„Jednym z oczywistych miejsc, na które warto zwrócić uwagę, jest nikiel, ponieważ w układzie okresowym nikiel znajduje się obok miedzi” – powiedział Kyle Shen, profesor, który nadzorował projekt prowadzony przez doktora habilitowanego Christophera Barzka. „Więc ludzie pomyśleli, że może moglibyśmy zrobić trochę magii z produkcją materiałów i wytworzyć związki, które utrzymują nikiel jak miedziany. Ten pomysł istnieje od 30 lat. Realizacja trwała tak długo, ponieważ okazało się, że nadprzewodniki niklowe są trudne do wykonania.”
Inni badacze zsyntetyzowali nikiel, który składa się z niklu, tlenu i pierwiastka ziem rzadkich, najpierw hodując materiał „prekursorowy”, a następnie wystawiając go na działanie źródła wodoru i podgrzewając go w zamkniętej rurze. W ciągu mniej więcej jednego dnia wodór wyciąga mniej więcej jedną trzecią cząsteczek tlenu z materiału, co Shen porównał do usuwania bloków w grze Jenga.
„Wytwarzanie tych materiałów to koszmar” – powiedział.
Alternatywna technologia
Pazek i Shen opracowali alternatywną technologię, w której tlen jest usuwany za pomocą wiązki wodoru atomowego. Jest to proces powszechnie stosowany do czyszczenia powierzchni półprzewodników, ale nigdy nie stosowany do syntezy materiałów. Minimalizacja wodoru atomowego zapewnia badaczom większą niezależną kontrolę nad ilością użytego wodoru, a także nad zmiennymi, takimi jak czas i ciśnienie. Proces można ukończyć w ciągu kilku minut, a nie godzin lub dnia.
„Opracowanie techniki redukcji było samo w sobie długim i trudnym procesem” – powiedział Barzik. „Kiedy zaczynałem, próbowałem zastosować warunki podobne do tych stosowanych przy konwencjonalnej redukcji wodorkiem wapnia – niskie temperatury przez stosunkowo długi okres czasu – ale jakość próbek była zawsze niska i bardzo nierówna. Dopiero zdecydowałem się zacząć od nowa i pójść w kierunku Całkiem inaczej – wybierając wyższe temperatury przez możliwie najkrótszy czas – i rzeczywiście odniosłem pewien sukces.
Barzek przeprowadził eksperymenty z rozpraszaniem promieni rentgenowskich na próbkach niklu uzyskanych na linii wiązki synchrotronu. Jego celem było zmierzenie próbek w celu wykrycia obecności podejrzanego „porządku ładunku” – zjawiska, w którym elektrony samoorganizują się w okresowe wzory. Zjawisko to zostało powiązane z nadprzewodnictwem w wysokich temperaturach.
Jednak eksperymenty synchrotronowe nie wykazały „szczytu rozpraszania rezonansowego”, który powinien wskazywać na obecność porządku ładunku, dlatego badacze zaczęli zmieniać ilość usuwanego tlenu.
„Prawdziwy przełom nastąpił, gdy zaczęliśmy mierzyć próbki, które celowo przygotowaliśmy tak, aby zawierały nadmiar tlenu, i zaobserwowaliśmy bardzo silną, wyraźną reakcję. Następnie otrzymaliśmy realne alternatywne wyjaśnienie pochodzenia piku i w końcu zdaliśmy sobie sprawę, że poruszamy się w we właściwym kierunku” – stwierdził Barzek.
Aby potwierdzić swoje podejrzenia, współpracowali ze zmarłą profesor Leną Korkoutis, a także z profesorem Davidem Müllerem i doktorantką Loopą Bhatt, którzy za pomocą mikroskopii elektronowej bezpośrednio sprawdzili, czy śladowe ilości tlenu w próbkach rzeczywiście powodują fałszywy ładunek. Poproś o sygnał.
Zespołowi udało się nie tylko zidentyfikować zasadniczą różnicę między nadprzewodnikami miedzianymi i niklowymi; Mają teraz bardziej niezawodny sposób na hodowanie czystszych próbek, które można wykorzystać w szerszym zakresie eksperymentów przy mniejszej niepewności.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
