Supraleitung: Kuprat-ähnliches Verhalten in einem Nickeloxid-Film

Supraleiter funktionieren meist nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Seit der Entdeckung der Hoch­temperatur-Supra­leitung 1986 in Kupraten versuchen Wissen­schaftler, ähnliches Verhalten in anderen Material­klassen zu realisieren. Erst 2019 wurde Supra­leitung in einem Nickel­oxid-Film nach­ge­wiesen, doch worauf sie dort beruht, ist noch unklar. Forscher der Uni Duisburg-Essen haben die elektro­nischen Eigen­schaften des Materials unter­sucht und eine mögliche Erklärung gefunden.

Da das Volumenmaterial des Neodym-Nickel­oxids (NdNiO₂), das dieselbe Atom­struktur und Anzahl Valenz­elektronen wie viele Kuprate aufweist, alleine nicht supra­leitend ist, konzen­trierten sich Rossitza Pentcheva und Benjamin Geisler auf die Rolle der Film­geo­metrie: Das unter­suchte System besteht aus einer 1,5 Nanometer dünnen Schicht des Nickelats auf einer Strontium­titanat-Unter­lage (SrTiO₃).

Die beiden Forscher simulierten die Eigen­schaften dieses Infinite-Layer-Films im Vergleich zu einem Perowskit­film (NdNiO₃) mittels quanten­mechanischer Rechnungen auf dem Super­computer MagnitUDE. Obwohl beide Systeme eine Ladungs­fehl­anpassung an der Grenz­fläche zum SrTiO₃ aufweisen, stellten Pentcheva und Geisler einen wesent­lichen Unter­schied fest: Nur beim Infinite-Layer-Film führt diese Ladungs­fehl­anpassung dazu, dass sich ein zwei­dimen­sion­ales Elektronen­gas an der Grenz­fläche bildet.

„Es ist bekannt, dass ein solches 2D-Elektronen­gas an anderen Grenz­flächen zu Supra­leitung geführt hat“, erklärt Pentcheva. Zudem stellen sich im Infinite-Layer-Film im Gegen­satz zum Volumen­material Kuprat-ähnliche elektronische Eigen­schaften ein. Dies deutet darauf hin, dass die Film­geometrie eine wesent­liche Rolle beim Auftreten der Supra­leitung spielt. Je mehr man über die Ursachen der Supra­leitung weiß, desto besser stehen die Chancen, die begehrte Eigen­schaft auch bei Raum­temperatur gezielt in maß­ge­schneiderten Material­systemen hervor­zu­rufen.

UDE / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Geisler & R. Pentcheva: Fundamental difference in the electronic reconstruction of infinite-layer versus perovskite neodymium nickelate films on SrTiO₃(001). Phys. Rev. B 102, 020502 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevB.102.020502
• AG Pentcheva, Computational Materials Physics, Center for Nanointegration, Fklt. für Physik, Universität Duisburg-Essen