Рентгеновские лучи раскрывают электронные детали сверхпроводников на основе никеля
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили новые подробности об электронах в семействе сверхпроводящих материалов на основе никеля. Исследование, описанное в двух статьях, опубликованных в Physical Review X, показывает, что эти материалы на основе никеля имеют определенное сходство и ключевые отличия со сверхпроводниками на основе меди. Сравнение двух видов «высокотемпературных» сверхпроводников может помочь сосредоточиться на ключевой характеристике проводить электрический ток без потери энергии в виде тепла.
На этом рисунке показано, как рентгеновские лучи (желтые зигзаги) раскрывают информацию об электронной структуре атомов в сверхпроводнике на основе оксида никеля, где атомы никеля имеют красные электронные орбитали, а орбитали атомов кислорода бирюзовые. Чем больше орбиталь, тем больше на ней электронов. Эти исследования помогают исследователям понять сходства и различия между сверхпроводниками на основе никеля и меди.
Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
«Попытка понять высокотемпературные сверхпроводники — это задача, стоящая десятилетия», — сказал Марк Дин из отдела физики и материаловедения Брукхейвенской лаборатории, который руководил исследованием, описанным в обеих статьях. С тех пор как в 1980-х годах были открыты сверхпроводники на основе меди или купратов, ученые пытались понять, что заставляет их работать.
Интерес в значительной степени обусловлен их потенциалом для энергосберегающих приложений. Представьте себе линии электропередач, которые доставляют электричество в дома вдали от ветряных и солнечных электростанций, не теряя при этом ни крупицы энергии, а также компьютеры и другие устройства, которые функционируют безупречно без необходимости дорогостоящего и энергоемкого охлаждения.
Проблема в том, что, несмотря на их «высокотемпературное» прозвище, сами купратные сверхпроводники должны храниться в очень низких температурах для работы — значительно ниже нуля градусов по Фаренгейту. Обнаружение того, что позволяет электронам в этих материалах преодолевать их нормальное отталкивание «однородного заряда» и течь без сопротивления, возможно, может указать путь к сверхпроводникам, которые работают в условиях, более близких к реальным.
«Эти материалы также являются испытательным полигоном для изучения других квантовых материалов, в которых электроны очень сильно взаимодействуют», — сказал Стивен Джонстон, теоретик из Университета Теннесси и соавтор статьи. «Можно привести разумный аргумент, что это самая важная открытая проблема в физике материалов».
Аналоги никеля
В рамках стремления раскрыть дело о купратах ученые искали аналоги — подобные сверхпроводящие соединения, которые они могли бы изучать и сравнивать, чтобы получить подсказки для улучшения свойств.
«Возможно, если вы просто что-то подправите, вы сможете повысить такое свойство, как температура перехода в сверхпроводимость, или вы сможете создавать материалы с более дешевыми элементами для приложений», — сказал Яо Шэнь, исследователь с докторской степенью в Брукхейвене и первый автор исследования.
Никель был логичным выбором. Его близость к меди в периодической таблице означает, что соединения, изготовленные из этих ближайших переходных металлов, могут действовать сходным образом, но с достаточными различиями, чтобы указать на то, что существенно для сверхпроводимости.
Но еще до того, как ученые из Стэнфордского университета успешно создали сверхпроводник на основе никеля в 2019 году, другие задавались вопросом, можно ли считать соединения никеля настоящими аналогами купратов. Как только никелаты были синтезированы, начались поиски.
«Видение» электронного поведения
В этих исследованиях использовались рентгеновские лучи на Национальном источнике синхротронного света II Брукхейвенской лаборатории (NSLS-II), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США, который позволяет исследовать микроскопическую структуру, химию и другие свойства всех видов материалов. Команда использовала луч мягкого неупругого рентгеновского излучения (SIX), которым управляют соавторы Валентина Бизоньи и Джонатан Пелличиари, чтобы сравнить электронные свойства слоистого никелатного сверхпроводника (La4Ni3O8) со свойствами известного купрата . (La2-xSrxCuO4).
Они хотели знать, какие электроны (от каких элементов) в каждом соединении способствуют сверхпроводимости и другим электронным свойствам, включая наличие «волны плотности заряда». Эта упорядоченная структура электронов может играть роль в создании сверхпроводимости материала.
«У ученых есть доказательства того, что сверхпроводимость купратов связана с очень сильными магнитными взаимодействиями между ионами меди», — сказал Майкл Норман, сотрудничающий ученый из Аргоннской национальной лаборатории. «Итак, в дополнение к сравнению электронов, участвующих в сверхпроводимости в этих двух материалах, мы также хотели найти доказательства магнитных взаимодействий между ионами никеля в этих никелатах и понять, какие элементы вносят вклад в электроны, которые формируют как волны заряда, так и волны магнитной плотности в этих двух материалах. эти материалы».
Луч SIX с его лучшим в мире разрешением по энергии позволяет ученым «видеть» эти детали субатомного масштаба путем точной настройки энергии рентгеновского излучения на отдельные элементы в образце с использованием метода, называемого резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS). ).
«Мы можем настроить нашу энергию рентгеновского излучения так, чтобы она резонировала либо с кислородом, либо с никелем, либо с другими элементами, и тогда мы сможем увидеть электронные свойства этих конкретных элементов», — сказал Дин. «Мы использовали это вместе с теоретическими расчетами, чтобы получить подробную картину того, как эти материалы работают в электронном виде».
Ключевые сходства и различия
Полученные данные указывают на существенное сходство между никелатными и купратными сверхпроводниками и на некоторые различия.
Например, ученые обнаружили, что в обоих наборах материалов переходный металл (медь или никель) и кислород оба вносят свой вклад в электронные свойства материалов, но магнитные взаимодействия между атомами никеля, опосредованные промежуточным кислородом, немного слабее, чем опосредованные кислородом магнитные взаимодействия между атомами меди в купратах.
«У купратов есть очень хорошо выровненная энергия между медью и кислородом, и поэтому они очень сильно магнитятся», — сказал Шен. «То же самое происходит с соединениями никеля, только в несколько меньшей степени».
Ученые обнаружили некоторые ключевые различия в электронных свойствах, которые способствуют генерации порядка заряда — волны плотности заряда — в двух классах сверхпроводников. Оказывается, волна плотности заряда в никелате намного сложнее, чем в купрате , и возникает из-за комбинированного взаимодействия всех различных элементов в материале.
«Эти результаты показывают, что соединения никеля обещают больше узнать о том, как работают купраты, и они указывают на различные способы изменения соединений никеля, чтобы сделать их более похожими на купраты — чтобы иметь более сильный магнетизм или более сильную сверхпроводимость» — сказала Дженнифер Сирс, научный сотрудник Брукхейвена.
«Рентгеновские лучи действительно демонстрируют свою мощь в исследовании таких типов проблем. Возможности NSLS-II позволили нам довольно быстро разработать эту физику, чего не было бы без этого нового поколения инструментов RIXS», — отметил соавтор Маттео Митрано из Гарвардского университета.
Следующие шаги включают изучение вклада редкоземельных элементов — лантана, стронция и других — в свойства этих материалов.
«Считается, что редкоземельный слой не является электронно-активным в купратах, но это открытый вопрос в материалах на основе никеля», — сказал Дин.
