Показано, что никелатные сверхпроводники обладают магнитными свойствами
Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики синтезировали нетрадиционное семейство сверхпроводников — оксиды никеля или никелаты. С тех пор они провели три года, исследуя свойства никелатов и сравнивая их с одним из самых известных нетрадиционных сверхпроводников, оксидами меди или купратами. И в статье, опубликованной сегодня в Nature Physics, команда сообщила о значительной разнице: в отличие от купратов, магнитные поля никелатов всегда включены.
Мюон (в центре) вращается как волчок внутри атомной решетки тонкой пленки сверхпроводящего никелата. Эти элементарные частицы могут ощущать магнитное поле, создаваемое спинами электронов на расстоянии до миллиардной доли метра. Включив мюоны в четыре никелатных соединения в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии, исследователи из SLAC и Стэнфорда обнаружили, что протестированные ими никелаты содержат магнитные возбуждения вне зависимости от того, находятся ли они в сверхпроводящем состоянии или нет, — еще один ключ к долгому поиску понимания того, насколько нетрадиционны сверхпроводники могут проводить электрический ток без потерь. Предоставлено: Дженнифер Фоули/Национальная ускорительная лаборатория SLAC.
Электроны находят друг друга отталкивающими. Ничего личного — просто их отрицательные заряды отталкиваются друг от друга. Чтобы заставить их объединяться в пары и путешествовать вместе, как это происходит в сверхпроводящих материалах, требуется небольшой толчок.
В сверхпроводниках старой школы, которые были открыты в 1911 году и проводят электрический ток без сопротивления, но только при очень низких температурах, толчок исходит от вибраций в атомной решетке материала.
Но в более новых, «нетрадиционных» сверхпроводниках, которые особенно интересны из-за их способности работать при температуре, близкой к комнатной, для таких вещей, как передача энергии с нулевыми потерями, никто точно не знает, в чем заключается толчок, хотя исследователи считают, что это могут быть полосы электрического заряда, волн перескакивающих электронных спинов, создающих магнитные возбуждения, или какой-то комбинации вещей.
В надежде узнать больше, взглянув на проблему под немного другим углом, исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики синтезировали еще одно нетрадиционное семейство сверхпроводников — оксиды никеля или никелаты. С тех пор они провели три года, исследуя свойства никелатов и сравнивая их с одним из самых известных нетрадиционных сверхпроводников, оксидами меди или купратами.
И в статье, опубликованной сегодня в Nature Physics , команда сообщила о значительной разнице: в отличие от купратов, магнитные поля никелатов всегда включены.
Магнетизм: друг или враг?
Ученые заявили, что никелаты обладают магнитными свойствами, как если бы каждый атом никеля прижимал к себе крошечный магнит. Это верно независимо от того, находится ли никелат в своем несверхпроводящем или нормальном состоянии или в сверхпроводящем состоянии, когда электроны спариваются и образуют своего рода квантовый суп, который может содержать переплетающиеся фазы квантовой материи. Купраты, с другой стороны, не являются магнитными в своем сверхпроводящем состоянии.
«В этом исследовании изучались фундаментальные свойства никелатов по сравнению с купратами и то, что они могут рассказать нам о нетрадиционных сверхпроводниках в целом», — сказала Дженнифер Фоули, научный сотрудник Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) при SLAC, возглавлявшая исследование эксперимента.
По ее словам, некоторые исследователи считают, что магнетизм и сверхпроводимость конкурируют друг с другом в системах такого типа; другие думают, что у вас не может быть сверхпроводимости, если рядом нет магнетизма.
«Хотя наши результаты не решают этот вопрос, они показывают, где, вероятно, следует проделать больше работы», — сказал Фоули. «И они отмечают первый случай, когда магнетизм был исследован как в сверхпроводящем, так и в нормальном состоянии никелатов».
Гарольд Хванг, профессор SLAC и Стэнфорда и директор SIMES, сказал: «Это еще одна важная часть головоломки, которую исследовательское сообщество собирает воедино, пока мы работаем над определением свойств и явлений, лежащих в основе этих захватывающих материалов».
Введите мюон
В этой области исследований мало что дается легко, а изучение никелатов оказалось труднее, чем большинство других.
В то время как теоретики предсказали более 20 лет назад, что их химическое сходство с купратами делает вероятным то, что они могут обладать сверхпроводимостью, никелаты настолько сложно получить, что потребовались годы попыток, прежде чем SLAC и Стэнфордская команда добились успеха.
Даже тогда они могли делать только тонкие пленки материала, а не более толстые куски, необходимые для изучения его свойств с помощью обычных методов. По словам Хванга, ряд исследовательских групп по всему миру работают над более простыми способами синтеза никелатов в любой форме.
Поэтому исследовательская группа обратилась к более экзотическому методу, называемому низкоэнергетическим вращением/релаксацией спина мюона , который может измерять магнитные свойства тонких пленок и доступен только в Институте Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии.
Мюоны — фундаментальные заряженные частицы, похожие на электроны, но в 207 раз более массивные. Они существуют всего 2,2 миллионных доли секунды, прежде чем распадаются. Положительно заряженные мюоны, которые часто предпочтительны для подобных экспериментов, распадаются на позитрон, нейтрино и антинейтрино. Подобно своим двоюродным братьям-электронам, они вращаются как волчки и меняют направление своего вращения в ответ на магнитные поля. Но они могут «чувствовать» эти поля только в непосредственной близости от себя — примерно на расстоянии до одного нанометра или миллиардной доли метра.
В PSI ученые используют пучок мюонов, чтобы внедрить маленькие частицы в материал, который они хотят изучить. Когда мюоны распадаются, позитроны, которые они производят, разлетаются в направлении вращения мюона. Проследив происхождение позитронов до их происхождения, исследователи могут увидеть, в какую сторону указывали мюоны, когда исчезли, и, таким образом, определить общие магнитные свойства материала.
Поиск обходного пути
Команда SLAC подала заявку на проведение экспериментов с системой PSI в 2020 году, но затем пандемия сделала невозможным въезд и выезд из Швейцарии. К счастью, в то время Фоули был постдоком в Женевском университете и уже планировал приехать в SLAC, чтобы работать в группе Хванга. Поэтому она начала первый раунд экспериментов в Швейцарии с командой под руководством Андреаса Сутера, старшего научного сотрудника PSI и эксперта по извлечению информации о сверхпроводимости и магнетизме из данных о распаде мюона.
Прибыв в SLAC в мае 2021 года, Фоули сразу же начал производить различные типы никелатных соединений, которые команда хотела протестировать во втором раунде экспериментов. Когда ограничения на поездки закончились, команда, наконец, смогла вернуться в Швейцарию, чтобы закончить исследование.
Уникальная экспериментальная установка в PSI позволяет ученым внедрять мюоны на точной глубине в никелатные материалы. Исходя из этого, они смогли определить, что происходит в каждом сверхтонком слое различных никелатных соединений с немного отличающимся химическим составом. Они обнаружили, что только слои, содержащие атомы никеля, обладают магнитными свойствами.
По словам Хванга, интерес к никелатам во всем мире очень высок. Полдюжины исследовательских групп опубликовали свои собственные способы синтеза никелатов и работают над улучшением качества изучаемых ими образцов, а огромное количество теоретиков пытаются придумать идеи, чтобы направить исследования в продуктивном направлении.
«Мы пытаемся сделать все, что в наших силах, с теми ресурсами, которые у нас есть как у исследовательского сообщества, — сказал он, — но нам еще многое предстоит узнать и сделать».
