有缺陷的材料解决了超导体难题

克里斯托弗·帕齐克(Christopher Parzyck)所做的一切都是正确的。博士后研究员 Parzyck 将他的镍酸盐样品(一种新发现的超导体家族)带到同步加速器光束线中进行 X 射线散射实验。他正在测量他用新方法合成的样品，希望能够检测出可疑的“电荷排序”——一种电子自组织成周期性模式的现象。这种现象与高温超导有关。

但他的样本中没有发现明显的电荷顺序。没有任何。

“他回来后说，‘更好的样本并没有显示出这一点，’”负责该项目的艺术与科学学院詹姆斯·A·威克斯物理科学教授凯尔·沉 (Kyle Shen) 说。“我们当时想，‘哦，这真的很奇怪。我不明白。’”

有时科学家们会被难住，他们别无选择，只能搁置假设，卷起袖子，戴上侦探帽。经过一番广泛的调查后，Parzyck、Shen 和他们的合作者意识到，事实上他们所做的一切都是正确的。

根据1 月 26 日发表在《自然材料》上的研究结果，Parzyck 的新合成方法产生的镍酸盐非常纯净，没有污染之前镍酸盐研究的缺陷。指控令从未存在过。他们正在追寻一个幻影。

“之前的报道称，他们看到了这项指控，但存在所有这些不一致之处，”沉说。“克里斯开发了一种更可控的方法来制造这些材料，有效地限制了缺陷的数量。过量的氧原子被伪装成电荷顺序的特征。”

近年来，镍酸盐引起了人们极大的兴趣，因为它们是新发现的著名“铜酸盐”的近亲，“铜酸盐”是一种基于氧化铜的超导体，具有高达 100 开尔文的高转变温度，此时电阻消失，而对于铅或铌等传统超导体，它们的转变温度低于 10 开尔文。高温超导体更容易冷却，因此在未来的潜在应用中更有前景。

自从 20 世纪 80 年代末首次发现铜酸盐以来，科学家们一直在寻找类似的超导家族，这些家族可能会查明实现高温超导性的关键品质。

“一个明显值得关注的地方是镍，因为镍在元素周期表上紧邻铜，”沉说。“所以人们认为也许我们可以做一些材料合成魔法，制造有点像铜酸盐的含镍化合物。这个想法30年前就已经存在了。之所以花了这么长时间才意识到，是因为事实证明镍酸盐超导体真的很难制造。 ”

其他研究人员合成了镍酸盐——由镍、氧和稀土元素组成——首先生长一种“前体”材料，然后将该材料暴露在氢源中并在密封管内加热它们。在一天左右的时间里，氢气会带走材料中大约三分之一的氧分子，沉将其比作积木游戏中的消除方块。

“合成这些材料有点像一场噩梦，”他说。

Parzyck 和 Shen 设计了一种替代技术，通过原子氢束去除氧，这种工艺通常用于清洁半导体表面，但从未用于材料合成。除了时间和压力等变量之外，原子氢还原使研究人员能够更好地独立控制所施加的氢气量。该过程可以在几分钟内完成，而不是几个小时或一天。

“开发还原技术本身就是一个漫长且具有挑战性的过程，”帕齐克说。“当我刚开始时，我尝试应用传统氢化钙还原中使用的条件——低温持续相对较长的时间——但样品质量总是很低，而且不太一致。直到我决定重新开始并朝着完全不同的方向前进——选择更高的温度并持续尽可能短的时间——我确实取得了一些成功。”

在他们的同步加速器实验未能显示出本应表明电荷有序存在的“共振散射峰”后，研究人员开始改变他们剥离的氧气量。

“真正的突破出现在我们开始测量我们特意准备的含有过量氧气的样品时，并看到了非常强烈、清晰的反应——然后我们对峰的起源有了一个可行的替代解释，并最终知道我们正在朝着正确的方向前进， ”帕齐克说道。

为了证实他们的怀疑，他们与已故的 Lena Kourkoutis, MS '06, Ph.D 合作。'09，应用和工程物理学副教授David Muller、Samuel B. Eckert 工程教授和他们的博士生 Lopa Bhatt，他们使用电子显微镜直接验证样品中的微量氧气确实引起了杂散电荷-命令信号。

该团队不仅发现了铜酸盐和镍酸盐超导体之间的关键区别，而且还发现了铜酸盐和镍酸盐超导体之间的关键区别。他们现在有了一种更可靠的方法来培养更清洁的样本，这些样本有可能用于更广泛的实验，不再那么神秘。