Første undersøgelse af nikkelatmagnetisme finder et stærkt slægtskab med cuprat-superledere

Lige siden opdagelsen i 1986, at kobberoxidmaterialer, eller cuprates, kunne føre elektrisk strøm uden tab ved uventet høje temperaturer, forskere har ledt efter andre ukonventionelle superledere, der kunne fungere endnu tættere på stuetemperatur. Dette ville give mulighed for en lang række daglige applikationer, der kunne transformere samfundet ved at gøre energitransmission mere effektiv, for eksempel.

Nikkeloxider, eller nikkelater, virkede som en lovende kandidat. De er baseret på nikkel, som sidder ved siden af ​​kobber på det periodiske system, og de to elementer har nogle fælles karakteristika. Det var ikke urimeligt at tro, at superledning ville være en af ​​dem.

Men det tog år med forsøg, før forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University endelig skabte det første nikkelat, der viste tydelige tegn på superledning.

Nu SLAC, Stanford, og Diamond Light Source-forskere har foretaget de første målinger af magnetiske excitationer, der spredes gennem det nye materiale som krusninger i en dam. Resultaterne afslører både vigtige ligheder og subtile forskelle mellem nikkelater og cuprater. Forskerne offentliggjorde deres resultater i Videnskab i dag.

"Det her er spændende, fordi det giver os en ny vinkel til at udforske, hvordan ukonventionelle superledere fungerer, hvilket stadig er et åbent spørgsmål efter mere end 30 års forskning, "sagde Haiyu Lu, en Stanford-kandidatstuderende, der foretog hovedparten af ​​forskningen med Stanford postdoktorforsker Matteo Rossi og SLAC-videnskabsmand Wei-Sheng Lee.

"Blandt andet, " han sagde, "Vi ønsker at forstå karakteren af ​​forholdet mellem kuprater og nikkelater:Er de bare naboer, vinke hej og gå hver til sit, eller mere som fætre, der deler familietræk og måder at gøre tingene på?"

Resultaterne af denne undersøgelse, han sagde, føje til en voksende mængde beviser på, at deres forhold er tæt.

Drejer i et skakternet

Cuprater og nikkelater har lignende strukturer, med deres atomer arrangeret i et stift gitter. Begge kommer tyndt ind, todimensionelle ark, der er lagdelt med andre elementer, såsom sjældne jordarters ioner. Disse tynde plader bliver superledende, når de afkøles til under en bestemt temperatur, og tætheden af ​​deres fritflydende elektroner justeres i en proces kendt som doping.

Det første superledende nikkelat blev opdaget i 2019 ved SLAC og Stanford. Sidste år, det samme SLAC/Stanford-hold, som udførte dette seneste eksperiment, offentliggjorde den første detaljerede undersøgelse af nikkelatens elektroniske adfærd. Denne undersøgelse viste, at i udoteret nikkelat, elektroner flyder frit i nikkeloxidlag, men elektroner fra de mellemliggende lag bidrager også med elektroner til flowet. Dette skaber en 3D metallisk tilstand, der er meget forskellig fra det, der ses i cuprates, som er isolatorer, når de er udopede.

Magnetisme er også vigtig i superledningsevne. Det er skabt af spins af et materiales elektroner. Når de alle er orienteret i samme retning, enten op eller ned, materialet er magnetisk i den forstand, at det kan klæbe til døren til dit køleskab.

Cuprates, på den anden side, er antiferromagnetiske:Deres elektronspin danner et skakbrætmønster, så hvert ned -spin er omgivet af op -spins og omvendt. De skiftende spins annullerer hinanden, så materialet som helhed er ikke magnetisk i almindelig forstand.

Ville nikkel have de samme egenskaber? At finde ud af, forskere tog prøver af det til Diamond Light Source synkrotronen i Storbritannien til undersøgelse med resonant uelastisk røntgenspredning, eller RIXS. I denne teknik, forskere spreder røntgenlys fra en prøve af materiale. Denne indsprøjtning af energi skaber magnetiske excitationer - krusninger, der bevæger sig gennem materialet og tilfældigt vender spin af nogle af dets elektroner. RIXS giver forskere mulighed for at måle meget svage excitationer, som ellers ikke kunne observeres.

Oprettelse af nye opskrifter

"Det, vi finder, er ret interessant, " sagde Lee. "Dataene viser, at nikkelat har den samme type antiferromagnetisk interaktion, som cuprates har. Det har også en lignende magnetisk energi, hvilket afspejler styrken af ​​interaktionerne mellem nabospins, der holder denne magnetiske orden på plads. Dette indebærer, at den samme type fysik er vigtig i begge."

Men der er også forskelle, bemærkede Rossi. Magnetiske excitationer spredes ikke så langt i nikkelater, og dør hurtigere ud. Doping påvirker også de to materialer forskelligt; de positivt ladede "huller" den skaber er koncentreret omkring nikkelatomer i nikkelater og omkring oxygenatomer i cuprater, og dette påvirker, hvordan deres elektroner opfører sig.

Mens dette arbejde fortsætter, Rossi sagde, teamet vil teste, hvordan doping af nikkelatet på forskellige måder og bytte forskellige sjældne jordartselementer ind i lagene mellem nikkeloxidpladerne påvirker materialets superledningsevne - baner vejen, de håber, til opdagelse af bedre superledere.