14.04.2023 • Materialwissenschaften

Ursache gefunden: Warum Nickelate supraleitend sind

Nicht die Grenzfläche ist die Quelle der Supraleitung, sondern die Nickelat-Schicht selbst.

Supraleiter übertragen elektrischen Strom verlustfrei über jede Entfernung und spielen eine wichtige Rolle bei Quanten­computern und medizinischer Bildgebung. Ein vielver­sprechendes Material sind Nickelate, Oxid­ver­bindungen auf Nickel- und Neodymbasis. Sie wurden 2019 entdeckt, doch die Mechanismen, die sie supraleitend machen, waren bisher nicht geklärt. Die Ursache gefunden hat jetzt ein inter­nationales Team unter Leitung der Cornell University in den USA. Die Entdeckung könnte helfen, neue verbesserte Supraleiter herzu­stellen.

Abb.: Mithilfe fort­schritt­licher elek­tro­nen­mikro­sko­pischer...
Abb.: Mithilfe fort­schritt­licher elek­tro­nen­mikro­sko­pischer Tech­niken stieß das Team auf eine un­er­war­tete ato­mare Struk­tur in einer neu ent­deck­ten Klasse von Supra­lei­tern auf Nickel­basis. (Bild: Cornell U.)

„Supraleiter sind die Stars unter den elektrischen Leitern“, erklärt Rossitza Pentcheva von der Uni Duisburg-Essen, die an der Arbeit beteiligt war. „Doch sie funktionieren meist nur bei extremer Kälte, was technische Anwendungen erschwert. Die Wissenschaft sucht daher nach neuen Material­klassen, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind.“ Im Fokus stehen dabei seit einigen Jahren Nickelate. Das Besondere dabei ist, dass die Supraleitung bislang ausschließlich in Proben nachgewiesen werden konnte, die als sehr dünne, kristalline Filme – weniger als zwanzig Nanometer dick – auf einem Trägermaterial aufgezogen wurden. Vermutet wurde, dass die Supraleitung nur dort stattfindet, wo der dünne Nickel-Oxid-Film auf das Substrat trifft, auf dem er gewachsen ist.

Das wollte das inter­nationale Team genauer untersuchen. Es kombinierte für seine Analysen experi­mentelle und theoretische Methoden, wie die Raster-Transmissions-Elektronen­mikroskopie, die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie und quanten­mechanische Computer­simulationen auf Hoch­leistungs­rechnern. Dadurch ist es erstmals gelungen, die atomare Struktur der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien aufzulösen. „Zwischen dem Nickelat-Film und dem Strontium­titanat-Substrat haben wir eine unerwartete Zwischen­verbindung entdeckt“, so Benjamin Geisler von der Uni Duisburg-Essen. „Sie schwächt die elektronische Ladungs­anhäufung an der Grenzfläche ab.“

Damit steht fest: Nicht die Grenzfläche ist die Quelle der Supraleitung, wie bislang vermutet, sondern es ist die Nickelat-Schicht selbst. „Die enge Verzahnung exper­imen­teller und theoretischer Methoden war entscheidend für die Entdeckung“, betont Pentcheva. „Sie stößt weitere Forschung an, so dass neue Material­ver­bindungen für techno­logische Anwendungen entstehen können.“

UDE / RK

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