Sinar-X mengungkap detail elektronik superkonduktor berbasis nikel

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS telah menemukan detail baru tentang elektron dalam keluarga nikel bahan superkonduktor. Penelitian ini dijelaskan dalam dua makalah yang diterbitkan di * Tinjauan Fisik, mengungkapkan bahwa bahan berbasis nikel ini memiliki beberapa kesamaan dengan – dan perbedaan utama dari – superkonduktor berbasis tembaga. Membandingkan dua jenis superkonduktor “bersuhu tinggi” dapat membantu para ilmuwan memusatkan perhatian pada fitur utama yang penting bagi kemampuan luar biasa bahan ini untuk membawa arus listrik tanpa kehilangan energi dalam bentuk panas.

“Pencarian untuk memahami superkonduktor suhu tinggi telah menjadi tantangan selama beberapa dekade,” kata Mark Dean dari Departemen Ilmu Fisika dan Bahan Terkondensasi Lab Brookhaven, yang memimpin penelitian yang dijelaskan dalam kedua makalah. Sejak superkonduktor berbasis tembaga atau tembaga ditemukan pada 1980-an, para ilmuwan telah mencoba memahami apa yang membuat mereka tergerak.

Ketertarikan sebagian besar didorong oleh kemampuannya untuk menggunakan aplikasi hemat energi. Bayangkan saluran listrik yang mengalirkan listrik ke rumah-rumah yang jauh dari ladang angin dan matahari tanpa kehilangan sedikit pun energi, dan komputer serta perangkat lain yang bekerja dengan sempurna tanpa memerlukan pendinginan yang intens dan intensif energi.

Masalahnya, terlepas dari moniker “suhu tinggi”, adalah bahwa superkonduktor tembaga itu sendiri harus dijaga agar tetap sangat dingin untuk beroperasi – jauh di bawah nol derajat Fahrenheit. Menemukan apa yang memungkinkan elektron dalam bahan-bahan ini untuk mengatasi tolakan dan aliran “muatan serupa” alami mereka tanpa hambatan dapat menunjukkan jalan ke superkonduktor yang beroperasi dalam kondisi yang lebih dekat dengan dunia nyata.

“Materi ini juga merupakan testbed untuk upaya memahami materi kuantum lain di mana elektron berinteraksi sangat kuat,” kata Stephen Johnston, peneliti teoretis Universitas Tennessee dan salah satu penulis makalah. “Anda dapat membuat argumen yang masuk akal bahwa ini adalah masalah terbuka yang paling penting dalam fisika material.”

analog nikel

Sebagai bagian dari pencarian untuk memecahkan masalah cuprates, para ilmuwan mencari analog – senyawa superkonduktor serupa yang dapat mereka pelajari dan bandingkan untuk memberi mereka petunjuk untuk meningkatkan sifat.

kata Yao Xin, seorang peneliti postdoctoral di Brookhaven dan penulis pertama publikasi tersebut.

Nikel adalah pilihan yang logis. Kedekatannya dengan tembaga dalam tabel periodik menunjukkan bahwa senyawa-senyawa yang terbuat dari logam transisi tetangga ini dapat bertindak dengan cara yang sama tetapi dengan perbedaan yang cukup untuk menunjukkan apa yang diperlukan untuk superkonduktivitas.

Tetapi bahkan sebelum para ilmuwan di Stanford berhasil menciptakan superkonduktor nikel pada tahun 2019, yang lain bertanya-tanya apakah senyawa nikel dapat dianggap sebagai analog sejati dari cuprates. Setelah nikel disintesis, pencarian untuk mencari tahu dimulai.

“melihat” perilaku elektronik

Studi-studi ini menggunakan sinar-X di National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) Brookhaven Laboratory, fasilitas pengguna DOE Office of Science yang memungkinkan penelitian struktur mikroskopis, kimia, dan properti lain dari semua jenis bahan. Tim menggunakan garis X-Ray inelastis lembut (SIX), yang dikelola oleh kolaborator studi Valentina Bisogni dan Jonathan Pelliciari, untuk membandingkan sifat elektronik dari superkonduktor nikel berlapis (La₄Ni₃A₈) dengan Cobrat (La₂−xSr_XCuO₄).

Mereka ingin mengetahui elektron mana (dari unsur mana) di setiap senyawa yang berkontribusi terhadap superkonduktivitas dan sifat elektronik lainnya, termasuk adanya “gelombang kerapatan muatan”. Pola elektron yang tertata ini mungkin berperan dalam menghasilkan superkonduktivitas material.

“Para ilmuwan memiliki bukti bahwa superkonduktivitas dalam tembaga dikaitkan dengan interaksi magnetik yang sangat kuat antara ion tembaga,” kata Michael Norman, ilmuwan yang bekerja sama dari Argonne National Laboratory. “Jadi, selain membandingkan elektron yang terlibat dalam superkonduktivitas dalam dua bahan ini, kami juga ingin mencari bukti interaksi magnetik antara ion nikel dalam nikel ini dan untuk memahami elemen mana yang berkontribusi pada elektron yang membentuk gelombang muatan dan kerapatan magnetik dalam bahan-bahan ini.”

SIX beamline, dengan resolusi energi terdepan di dunia, memungkinkan para ilmuwan untuk “melihat” detail pada skala subatomik dengan secara tepat menyetel energi sinar-X ke elemen individu dalam sampel menggunakan teknik yang disebut hamburan sinar-X inelastis resonan (RIXS).

“Kita dapat menyetel energi sinar-X kita agar sesuai dengan oksigen, nikel, atau elemen lainnya, dan kemudian kita dapat melihat sifat elektronik dari elemen spesifik tersebut,” kata Dean. “Kami menggunakannya dalam kombinasi dengan perhitungan teoretis untuk mendapatkan gambaran rinci tentang bagaimana bahan-bahan ini dapat berfungsi secara elektronik.”

Persamaan dan perbedaan utama

Hasilnya menunjukkan bahwa ada kesamaan yang signifikan antara superkonduktor nikel dan cuprate — dan beberapa perbedaan.

Misalnya, para ilmuwan telah menemukan bahwa pada kedua kelompok bahan, baik logam transisi (tembaga atau nikel) dan oksigen berkontribusi pada sifat elektronik bahan, tetapi interaksi magnetik antara atom nikel, yang dimediasi oleh oksigen yang mengganggu, sedikit lebih lemah daripada interaksi magnetik yang dimediasi oksigen antara atom tembaga dalam cuprates;

“Kuprat memiliki energi bagus yang selaras antara tembaga dan oksigen, dan itulah mengapa mereka sangat magnetis,” kata Shen. “Hal serupa terjadi pada senyawa nikel pada tingkat yang agak kurang sempurna.”

Para ilmuwan telah menemukan beberapa perbedaan utama dalam sifat elektronik yang berkontribusi pada pembentukan urutan muatan – gelombang kerapatan muatan – di dua kelas superkonduktor. Ternyata gelombang kerapatan muatan dalam nikel jauh lebih kompleks daripada gelombang cuprate, yang berasal dari interaksi kompleks semua elemen berbeda dalam materi.

“Hasil ini menunjukkan bahwa senyawa nikel menjanjikan untuk mempelajari lebih lanjut tentang cara kerja cuprate, dan mereka menunjukkan cara berbeda yang mungkin Anda inginkan untuk mengubah senyawa nikel agar lebih mirip cuprate—untuk mendapatkan magnet yang lebih kuat atau superkonduktivitas yang lebih kuat,” kata Jennifer Sears , seorang peneliti pascasarjana Brookhaven Ph.D.

“Sinar-X benar-benar menunjukkan kekuatannya dalam menyelidiki jenis masalah ini. Kemampuan dalam NSLS-II telah memungkinkan kami mengerjakan fisika ini dengan sangat cepat dengan cara yang tidak akan mereka miliki tanpa instrumen RIXS generasi baru ini,” catat kolaborator Matteo Mitrano dari Universitas Harvard.

Langkah selanjutnya termasuk mengeksplorasi kontribusi unsur tanah jarang – lantanum, strontium, dan lainnya – terhadap sifat bahan-bahan ini.

“Langka bumi tidak dianggap aktif secara elektronik di cuprate, tapi ini adalah pertanyaan terbuka dalam bahan berbasis nikel,” kata Dean.