Проучване установява, че никелатните свръхпроводници са вътрешно магнитни

Един мюон, в центъра, се върти като връх в атомната решетка на тънък филм от свръхпроводящ никелат. Тези елементарни частици могат да усетят магнитното поле, създадено от завъртанията на електрони на разстояние до една милиардна от метър. Чрез вграждане на мюони в четири никелатни съединения в Института Пол Шерер в Швейцария, изследователи от SLAC и Станфорд откриха, че тестваните от тях никелати приемат магнитни възбуждания, независимо дали са в своите свръхпроводящи състояния или не – още една следа в дългото търсене да разберем колко неконвенционални свръхпроводниците могат да провеждат електрически ток без загуба. Кредит: Дженифър Фаули/Национална ускорителна лаборатория SLAC

Електроните се отблъскват един друг. Нищо лично — просто техните отрицателни заряди се отблъскват взаимно. Така че да ги накарате да се сдвоят и да пътуват заедно, както правят в свръхпроводящите материали, изисква малко побутване.

В свръхпроводниците от старата школа, които са открити през 1911 г. и провеждат електрически ток без съпротивление, но само при изключително ниски температурипобутването идва от вибрации в атомната решетка на материала.

Но в по-новите, „неконвенционални“ свръхпроводници – които са особено вълнуващи поради потенциала им да работят при температура, близка до стайната, за неща като предаване на мощност с нулеви загуби – никой не знае със сигурност какво е тласкането, въпреки че изследователите смятат, че може да включва ивици на електрически заряд, вълни на флипфлоп електронни завъртания които създават магнитни възбуди или някаква комбинация от неща.

С надеждата да научат повече, като разгледат проблема от малко по-различен ъгъл, изследователи от Станфордския университет и Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката синтезираха друго нетрадиционно семейство свръхпроводници – никеловите оксиди или никелатите. Оттогава те прекараха три години в проучване на свойствата на никелатите и сравняването им с един от най-известните нетрадиционни свръхпроводницимедните оксиди или купрати.

И в статия, публикувана в Природна физика днес екипът съобщи за значителна разлика: за разлика от купратите, магнитните полета в никелатите са винаги включени.

Магнетизмът: приятел или враг?

Никелатите, казаха учените, са вътрешно магнитни, сякаш всеки атом на никел стиска малък магнит. Това е вярно дали никелат е в своето не-свръхпроводимо или нормално състояние или в свръхпроводящо състояние, където електроните са се сдвоили и са образували нещо като квантова супа, която може да приеме преплитащи се фази на квантовата материя. Купратите, от друга страна, не са магнитни в своето свръхпроводящо състояние.

„Това проучване разглежда фундаменталните свойства на никелатите в сравнение с купратите и какво може да ни каже това за неконвенционалните свръхпроводници като цяло“, каза Дженифър Фаули, постдокторантски изследовател в Станфордския институт за материали и енергийни науки на SLAC (SIMES), който ръководи експерименти.

Някои изследователи смятат, че магнетизмът и свръхпроводимостта се конкурират помежду си в този тип система, каза тя; други смятат, че не можете да имате свръхпроводимост, освен ако магнетизмът не е близо.

„Въпреки че нашите резултати не решават този въпрос, те подчертават къде вероятно трябва да се свърши повече работа“, каза Фаули. “И те отбелязват първия път, когато магнетизмът е изследван както в свръхпроводящото, така и в нормалното състояние на никелатите.”

Харолд Хуанг, професор в SLAC и Станфорд и директор на SIMES, каза: „Това е друга важна част от пъзела, който изследователска общност обединява, докато работим, за да рамкираме свойствата и феномените в сърцето на тези вълнуващи материали.”

Въведете мюона

Малко неща стават лесни в тази област на изследване, а изучаването на никелатите е по-трудно от повечето.

Докато теоретиците прогнозираха преди повече от 20 години, че химичното им сходство с купратите прави вероятно те да бъдат домакин на свръхпроводимост, никелатите са толкова трудни за получаване, че отне години опити, преди SLAC и екипът от Станфорд да успеят.

Дори тогава те можеха да направят само тънки филми от материала – не по-дебелите парчета, необходими за изследване на свойствата му с обичайни техники. Редица изследователски групи по света работят върху по-лесни начини за синтезиране на никелати във всякаква форма, каза Хуанг.

Затова изследователският екип се обърна към по-екзотичен метод, наречен нискоенергиен мюон спин ротация/релаксация, която може да измерва магнитните свойства на тънки филми и е налична само в Института Пол Шерер (PSI) в Швейцария.

Мюоните са фундаментално заредени частици, които са подобни на електроните, но 207 пъти по-масивни. Те се задържат само за 2,2 милионни от секундата, преди да се разпаднат. Положително заредените мюони, които често се предпочитат за експерименти като тези, се разпадат на позитрон, неутрино и антинеутрино. Подобно на своите електронни братовчеди, те се въртят като върхове и променят посоката на въртенето си в отговор на магнитните полета. Но те могат да “усещат” тези полета само в непосредствената си среда – до около един нанометър или една милиардна от метъра.

В PSI учените използват лъч мюони, за да вградят малките частици в материала, който искат да изследват. Когато мюоните се разпадат, позитроните, които произвеждат, излитат в посоката на въртене на мюона. Чрез проследяване на позитроните обратно до техния произход, изследователите могат да видят накъде са сочели мюоните, когато са изчезнали, и по този начин да определят цялостните магнитни свойства на материала.

Намиране на заобиколно решение

Екипът на SLAC кандидатства за провеждане на експерименти със системата PSI през 2020 г., но след това пандемията направи невъзможно пътуването в или извън Швейцария. За щастие, Фаули беше постдокторант в Женевския университет по това време и вече планираше да дойде в SLAC, за да работи в групата на Хуанг. Така тя започна първия кръг от експерименти в Швейцария с екип, ръководен от Андреас Сутер, старши учен в PSI и експерт в извличането на информация за свръхпроводимостта и магнетизма от данните за разпада на мюони.

След като пристигна в SLAC през май 2021 г., Фаули веднага започна да прави различни видове никелатни съединения, които екипът искаше да тества във втория си кръг от експерименти. Кога ограничения за пътуване приключи, екипът най-накрая успя да се върне в Швейцария, за да завърши проучването.

Уникалната експериментална настройка в PSI позволява на учените да вграждат мюони на прецизна дълбочина в никелатните материали. От това те успяха да определят какво се случва във всеки супер тънък слой от различни никелатни съединения с малко по-различен химичен състав. Те откриха, че само слоевете, които съдържат никелови атоми, са магнитни.

Интересът към никелатите е много висок в целия свят, каза Хуанг. Половин дузина изследователски групи са публикували свои собствени начини за синтезиране на никелати и работят върху подобряването на качеството на пробите, които изучават, а огромен брой теоретици се опитват да излязат с прозрения, за да насочат изследванията в продуктивни посоки.

„Опитваме се да направим каквото можем с ресурсите, които имаме като изследователска общност“, каза той, „но все още има много повече, което можем да научим и направим.“


Нов скок в разбирането на свръхпроводниците от никелов оксид


Повече информация:
Дженифър Фаули, Вътрешен магнетизъм в свръхпроводящи никелати с безкраен слой, Природна физика (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01684-y. www.nature.com/articles/s41567-022-01684-y

Цитат: Проучването установява, че никелатните свръхпроводници са вътрешно магнитни (2022 г., 1 август) извлечено на 2 август 2022 г. от https://phys.org/news/2022-08-nickelate-superconductors-intrinsically-magnetic.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.