自從 1986 年發現氧化銅材料或銅酸鹽可以在出乎意料的在高溫下無損耗地傳輸電流以來,科學家們一直在尋找其他可以在更接近室溫下工作的非常規超導體。例如,這將允許許多日常應用,這些應用可以通過提高能源傳輸效率來改變社會。


氧化鎳或鎳酸鹽似乎是一個很有前途的候選者。它們基于元素周期表中與銅相鄰的鎳,這兩種元素具有一些共同特征。認為超導是其中之一并不是沒有道理的。


但經過多年的努力,美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家們終于創造出了第一個顯示出明顯超導跡象的鎳酸鹽。


現在,SLAC、斯坦福大學和鉆石光源的研究人員對通過新材料傳播的磁激發進行了首次測量,就像池塘中的漣漪一樣。結果揭示了鎳酸鹽和銅酸鹽之間的重要相似之處和細微差別??茖W家們今天在《科學》雜志上發表了他們的研究結果。

新的鎳酸鹽材料為科學家們提供了一個新窗口!

通過鎳酸鹽超導體的磁激發的第一次測量表明,它與銅酸鹽超導體有很強的親緣關系,就像左邊的那個,而不是右邊描繪的更遠的鄰居關系。SLAC、斯坦福大學和鉆石光源的研究人員的研究揭示了這兩種材料之間的重要相似之處和細微差別,它們在相對溫暖的溫度下導電而不會損失。

新的鎳酸鹽材料為科學家們提供了一個新窗口!

通過鎳酸鹽超導體的磁激發的第一次測量表明,它與銅酸鹽超導體密切相關,銅酸鹽超導體在相對溫暖的溫度下無損耗地導電。SLAC、斯坦福大學和鉆石光源的研究人員的研究揭示了兩種材料之間的重要相似之處和細微差別。

新的鎳酸鹽材料為科學家們提供了一個新窗口!

一項新的研究發現,鎳酸鹽超導體,就像它們的表親銅酸鹽一樣,是反鐵磁性的。它們的電子自旋——這里用金色箭頭表示——形成棋盤圖案,所以每次向下旋轉都被向上旋轉包圍,反之亦然。交替的自旋相互抵消,所以材料作為一個整體沒有通常意義上的磁性。SLAC、斯坦福大學和鉆石光源的研究人員發現了這兩種材料之間的重要相似之處以及細微的差異。


這令人興奮,因為它為我們探索非常規超導體的工作原理提供了一個新的角度,經過 30 多年的研究,這仍然是一個懸而未決的問題。


Haiyu Lu 是斯坦福大學的一名研究生,他與斯坦福大學的博士后研究員 Matteo Rossi 和 SLAC 的工作人員科學家 Wei-Sheng Lee 一起完成了大部分研究。


除此之外,他說,我們想了解銅酸鹽和鎳酸鹽之間關系的本質:它們是只是鄰居,揮手打招呼,各行其是,還是更像是擁有共同家庭特征和行事方式的表親?


他說,這項研究的結果為越來越多的證據表明他們的關系是密切的。


在棋盤上旋轉


銅酸鹽和鎳酸鹽具有相似的結構,它們的原子排列在剛性晶格中。兩者都采用薄的二維薄片,與其他元素(例如稀土離子)分層。當這些薄片冷卻到特定溫度以下時,它們就會變成超導,并且它們的自由流動電子的密度在稱為摻雜的過程中進行調整。


第一個超導鎳酸鹽于 2019 年在 SLAC 和斯坦福大學發現。去年,執行這項最新實驗的同一個 SLAC/斯坦福團隊發表了關于鎳酸鹽電子行為的第一個詳細研究。該研究確定,在未摻雜的鎳酸鹽中,電子在氧化鎳層中自由流動,但來自中間層的電子也為流動提供電子。這會產生一種 3D 金屬狀態,這與銅酸鹽中所看到的完全不同,銅酸鹽在未摻雜時是絕緣體。


磁性在超導性中也很重要。它是由材料電子的自旋產生的。當它們都朝同一方向(向上或向下)時,這種材料具有磁性,可以粘在冰箱門上。


另一方面,銅酸鹽是反鐵磁性的:它們的電子自旋形成棋盤圖案,因此每次向下自旋都被向上自旋包圍,反之亦然。交替的自旋相互抵消,所以材料作為一個整體沒有通常意義上的磁性。


鎳酸鹽會具有這些相同的特性嗎?為了找到答案,研究人員將其樣本帶到英國的鉆石光源同步加速器進行共振非彈性 X 射線散射(RIXS)檢查。在這項技術中,科學家們將 X 射線從材料樣本上散射出來。這種能量注入會產生磁激發 - 穿過材料并隨機翻轉其中一些電子的自旋的漣漪。RIXS 允許科學家測量非常微弱的激發,否則無法觀察到。


創建新食譜


我們發現很有趣,李說,數據表明,鎳酸鹽具有與銅酸鹽相同類型的反鐵磁相互作用。它也具有相似的磁能,這反映了保持這種磁性順序的相鄰自旋之間相互作用的強度。這意味著相同類型的物理學在兩者中都很重要。


但也存在差異,羅西指出。磁激發在鎳酸鹽中不會傳播得那么遠,并且會更快地消失。摻雜也會對兩種材料產生不同的影響;它產生的帶正電的“空穴”集中在鎳酸鹽中的鎳原子和銅酸鹽中的氧原子周圍,這會影響它們的電子行為。


羅西說,隨著這項工作的繼續進行,該團隊將測試以各種方式摻雜鎳酸鹽并將不同的稀土元素交換到氧化鎳片之間的層中如何影響材料的超導性——他們希望為發現更好的超導體鋪平道路。


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