Undersøgelse viser, at nikkelatsuperledere er iboende magnetiske

Elektroner finder hinanden frastødende. Ikke noget personligt – det er bare, at deres negative ladninger frastøder hinanden. Så at få dem til at parre sig og rejse sammen, som de gør i superledende materialer, kræver et lille skub.

I old-school superledere, som blev opdaget i 1911 og leder elektrisk strøm uden modstand, men kun ved ekstremt kolde temperaturer, kommer skub fra vibrationer i materialets atomgitter.

Men i nyere, "ukonventionelle" superledere - som er særligt spændende på grund af deres potentiale til at fungere tæt på stuetemperatur for ting som nul-tab krafttransmission - er der ingen, der ved med sikkerhed, hvad nudge er, selvom forskere tror, ​​det kan involvere striber af elektrisk ladning, bølger af flip-flopping elektronspin, der skaber magnetiske excitationer, eller en kombination af ting.

I håbet om at lære mere ved at se på problemet fra en lidt anden vinkel, syntetiserede forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory en anden ukonventionel superlederfamilie - nikkeloxiderne eller nikkelaterne. Siden da har de brugt tre år på at undersøge nikkelaternes egenskaber og sammenligne dem med en af ​​de mest berømte ukonventionelle superledere, kobberoxiderne eller cupraterne.

Og i et papir udgivet i Nature Physics i dag rapporterede holdet om en væsentlig forskel:I modsætning til cuprates er magnetfelterne i nikkelater altid tændt.

Magnetisme:Ven eller fjende?

Nikelater, sagde forskerne, er i sig selv magnetiske, som om hvert nikkelatom greb om en lille magnet. Dette gælder, uanset om nikkelatet er i sin ikke-superledende eller normale tilstand eller i en superledende tilstand, hvor elektroner har parret sig og dannet en slags kvantesuppe, der kan være vært for sammenflettede faser af kvantestof. Cuprates er på den anden side ikke magnetiske i deres superledende tilstand.

"Denne undersøgelse kiggede på fundamentale egenskaber ved nikkelaterne sammenlignet med cupraterne, og hvad det kan fortælle os om ukonventionelle superledere generelt," sagde Jennifer Fowlie, en postdoc-forsker ved SLAC's Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), som ledede eksperimenter.

Nogle forskere mener, at magnetisme og superledning konkurrerer med hinanden i denne type system, sagde hun; andre mener, at du ikke kan have superledning, medmindre magnetisme er tæt på.

"Selvom vores resultater ikke løser det spørgsmål, fremhæver de, hvor mere arbejde sandsynligvis skal udføres," sagde Fowlie. "Og de markerer første gang, at magnetisme er blevet undersøgt i både den superledende og den normale tilstand af nikkelater."

Harold Hwang, professor ved SLAC og Stanford og direktør for SIMES, sagde:"Dette er endnu en vigtig brik i det puslespil, som forskningssamfundet lægger sammen, mens vi arbejder på at indramme egenskaberne og fænomenerne i hjertet af disse spændende materialer."

Indtast muon

Få ting kommer nemt i dette forskningsfelt, og at studere nikkelater har været sværere end de fleste.

Mens teoretikere forudsagde for mere end 20 år siden, at deres kemiske lighed med cupraterne gjorde det sandsynligt, at de kunne være vært for superledning, er nikkelater så vanskelige at lave, at det tog årevis af forsøg, før SLAC- og Stanford-teamet lykkedes.

Selv dengang kunne de kun lave tynde film af materialet - ikke de tykkere bidder, der var nødvendige for at udforske dets egenskaber med almindelige teknikker. En række forskningsgrupper rundt om i verden har arbejdet på nemmere måder at syntetisere nikkelater på i enhver form, sagde Hwang.

Så forskerholdet vendte sig mod en mere eksotisk metode, kaldet lav-energi muon spin rotation/afslapning, der kan måle de magnetiske egenskaber af tynde film og kun er tilgængelig på Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz.

Muoner er fundamentalt ladede partikler, der ligner elektroner, men 207 gange mere massive. De bliver ved i kun 2,2 milliontedele af et sekund, før de forfalder. Positivt ladede myoner, som ofte foretrækkes til eksperimenter som disse, henfalder til en positron, en neutrino og en antineutrino. Ligesom deres elektronfætre snurrer de som toppe og ændrer retningen på deres spin som reaktion på magnetiske felter. Men de kan kun "føle" disse marker i deres umiddelbare omgivelser - op til omkring en nanometer eller en milliardtedel af en meter væk.

På PSI bruger forskere en stråle af myoner til at indlejre de små partikler i det materiale, de ønsker at studere. Når myonerne henfalder, flyver de positroner, de producerer, af i den retning, myonen drejer. Ved at spore positronerne tilbage til deres oprindelse kan forskerne se, hvilken vej myonerne pegede, da de blinkede ud af eksistensen, og dermed bestemme materialets overordnede magnetiske egenskaber.

Sådan finder du en løsning

SLAC-holdet ansøgte om at lave eksperimenter med PSI-systemet i 2020, men så gjorde pandemien det umuligt at rejse ind eller ud af Schweiz. Heldigvis var Fowlie på det tidspunkt postdoc ved universitetet i Genève og planlagde allerede at komme til SLAC for at arbejde i Hwangs gruppe. Så hun startede den første runde af eksperimenter i Schweiz med et hold ledet af Andreas Suter, en seniorforsker ved PSI og en ekspert i at udvinde information om superledning og magnetisme fra muon-henfaldsdata.

Efter ankomsten til SLAC maj 2021 begyndte Fowlie straks at lave forskellige typer nikkelatforbindelser, som holdet ønskede at teste i deres anden runde af eksperimenter. Da rejserestriktioner ophørte, var holdet endelig i stand til at tage tilbage til Schweiz for at afslutte undersøgelsen.

Det unikke eksperimentelle setup hos PSI giver forskere mulighed for at indlejre muoner på præcise dybder i nikkelatmaterialerne. Ud fra dette var de i stand til at bestemme, hvad der foregik i hvert supertynde lag af forskellige nikkelatforbindelser med lidt forskellige kemiske sammensætninger. De opdagede, at kun de lag, der indeholdt nikkelatomer, var magnetiske.

Interessen for nikkelaterne er meget høj rundt om i verden, sagde Hwang. Et halvt dusin forskergrupper har offentliggjort deres egne måder at syntetisere nikkelater på og arbejder på at forbedre kvaliteten af ​​de prøver, de studerer, og et stort antal teoretikere forsøger at komme med indsigt, der kan guide forskningen i produktive retninger.

"Vi forsøger at gøre, hvad vi kan med de ressourcer, vi har som forskningssamfund," sagde han, "men der er stadig meget mere, vi kan lære og gøre." + Udforsk yderligere

Nyt spring i forståelsen af ​​nikkeloxid-superledere