Оксиды или никелаты никеля казались многообещающим кандидатом. Они основаны на никеле, который находится рядом с медью в периодической таблице, и эти два элемента имеют некоторые общие характеристики. Было небезосновательно думать, что сверхпроводимость будет одним из них.
Но потребовались годы попыток, прежде чем ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета наконец создали первый никелат, который показал явные признаки сверхпроводимости.
Теперь исследователи SLAC, Stanford и Diamond Light Source провели первые измерения магнитных возбуждений, которые распространяются через новый материал, как рябь в пруду. Результаты показывают как важные сходства, так и тонкие различия между никелатами и купратами. Сегодня ученые опубликовали свои результаты в Science.
«Это захватывающе, потому что это дает нам новый угол для изучения того, как работают нетрадиционные сверхпроводники, что все еще остается открытым вопросом после 30 с лишним лет исследований», – сказал он
Хайю Лу, аспирант Стэнфордского университета, который провел большую часть исследований с докторантом Стэнфордского университета Маттео Росси и штатным научным сотрудником SLAC Вэй-Шен Ли.
«Помимо прочего, – сказал он, – мы хотим понять природу взаимоотношений между купратами и никелатами: они просто соседи, приветствующие друг друга и разъезжающие по своим делам, или больше похожи на кузенов, которые разделяют семейные черты и способы ведения дел? вещи?"
По его словам, результаты этого исследования добавляют к растущему количеству доказательств того, что их отношения близки.
Спины на шахматной доске
Купраты и никелаты имеют схожую структуру, а их атомы расположены в жесткой решетке. Оба представлены в виде тонких двумерных листов, на которые нанесены другие элементы, такие как ионы редкоземельных элементов. Эти тонкие листы становятся сверхпроводящими, когда они охлаждаются ниже определенной температуры, а плотность их свободно текущих электронов регулируется в процессе, известном как легирование.
Первый сверхпроводящий никелат был обнаружен в 2019 году в SLAC и Стэнфорде.
В прошлом году та же команда SLAC / Stanford, которая выполнила этот последний эксперимент, опубликовала первое подробное исследование электронного поведения никелата. Это исследование установило, что в нелегированном никелате электроны свободно проходят в слоях оксида никеля, но электроны из промежуточных слоев также вносят электроны в поток.
Это создает трехмерное металлическое состояние, которое сильно отличается от того, что наблюдается в купратах, которые в нелегированном виде являются изоляторами.
Магнетизм также важен в сверхпроводимости. Он создается спинами электронов материала.
Когда все они ориентированы в одном направлении, вверх или вниз, материал является магнитным в том смысле, что он может прилипать к дверце вашего холодильника.
С другой стороны, купраты являются антиферромагнитными: их электронные спины образуют шахматный узор, поэтому каждое вращение вниз окружено спинами вверх и наоборот.
Чередующиеся вращения компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не является магнитным в обычном смысле.
Будет ли никелат обладать такими же характеристиками?
Чтобы выяснить это, исследователи взяли образцы его на синхротрон Diamond Light Source в Великобритании для исследования с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, или RIXS. В этом методе ученые рассеивают рентгеновский свет на образце материала. Эта инжекция энергии создает магнитное возбуждение – рябь, которая проходит через материал и беспорядочно меняет спины некоторых его электронов.
RIXS позволяет ученым измерять очень слабые возбуждения, которые нельзя было бы наблюдать иначе.
Создание новых рецептов
«То, что мы находим, довольно интересно», – сказал Ли. "Данные показывают, что никелат имеет тот же тип антиферромагнитного взаимодействия, что и купраты.
Он также имеет аналогичную магнитную энергию, которая отражает силу взаимодействий между соседними спинами, которые поддерживают этот магнитный порядок на месте. Это означает, что один и тот же тип физики важен в обоих случаях."
Но есть и отличия, отметил Росси. Магнитные возбуждения не распространяются так далеко в никелатах и быстрее затухают.
Допинг также по-разному влияет на два материала; создаваемые им положительно заряженные «дыры» концентрируются вокруг атомов никеля в никелатах и вокруг атомов кислорода в купратах, и это влияет на поведение их электронов.
По словам Росси, по мере продолжения этой работы команда будет проверять, как легирование никелата различными способами и замена различных редкоземельных элементов в слоях между листами оксида никеля влияет на сверхпроводимость материала, проложив путь, как они надеются, к открытию лучшего сверхпроводники.