Ända sedan 1986 upptäckten att kopparoxidmaterial, eller cuprates, kan leda elektrisk ström utan förlust vid oväntat höga temperaturer, forskare har letat efter andra okonventionella supraledare som kan fungera ännu närmare rumstemperatur. Detta skulle möjliggöra en mängd vardagliga tillämpningar som kan förändra samhället genom att göra energiöverföringen mer effektiv, till exempel.

Nickeloxider, eller nickelater, verkade vara en lovande kandidat. De är baserade på nickel, som sitter bredvid koppar på det periodiska systemet, och de två elementen har vissa gemensamma egenskaper. Det var inte orimligt att tro att supraledning skulle vara en av dem.

Men det tog flera år av försök innan forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University äntligen skapade det första nickelatet som visade tydliga tecken på supraledning.

Nu SLAC, Stanford, och Diamond Light Source-forskare har gjort de första mätningarna av magnetiska excitationer som sprider sig genom det nya materialet som krusningar i en damm. Resultaten avslöjar både viktiga likheter och subtila skillnader mellan nickelater och kuprater. Forskarna publicerade sina resultat i Vetenskap i dag.

"Det här är spännande, eftersom det ger oss en ny vinkel för att utforska hur okonventionella supraledare fungerar, som fortfarande är en öppen fråga efter 30 år av forskning, sa Haiyu Lu, en doktorand från Stanford som gjorde huvuddelen av forskningen tillsammans med Stanfords postdoktor Matteo Rossi och SLAC-forskaren Wei-Sheng Lee.

"Bland annat, " han sa, "vi vill förstå karaktären av förhållandet mellan kuprater och nickelater:Är de bara grannar, vinkar hej och går skilda vägar, eller mer som kusiner som delar familjedrag och sätt att göra saker på?"

Resultaten av denna studie, han sa, lägga till en växande mängd bevis för att deras relation är nära.

Snurrar i ett schackbräde

Cuprater och nickelater har liknande strukturer, med sina atomer ordnade i ett styvt gitter. Båda kommer in tunna, tvådimensionella ark som är skiktade med andra element, såsom järn av sällsynta jordartsmetaller. Dessa tunna ark blir supraledande när de kyls under en viss temperatur och densiteten hos deras frittflytande elektroner justeras i en process som kallas doping.

Det första supraledande nickelatet upptäcktes 2019 vid SLAC och Stanford. Förra året, samma SLAC/Stanford -team som utförde detta senaste experiment publicerade den första detaljerade studien av nickelatets elektroniska beteende. Den studien visade att i odopat nickelat, elektroner flödar fritt i nickeloxidskikt, men elektroner från de mellanliggande lagren bidrar också med elektroner till flödet. Detta skapar ett 3D-metalliskt tillstånd som skiljer sig ganska mycket från det som ses i cuprates, som är isolatorer när de är odopade.

Magnetism är också viktigt vid supraledning. Det skapas av spinn av ett materials elektroner. När de alla är orienterade åt samma håll, antingen upp eller ner, materialet är magnetiskt i den meningen att det kan fastna på dörren till ditt kylskåp.

Cuprates, å andra sidan, är antiferromagnetiska:Deras elektronsnurr bildar ett rutmönster, så varje nedåtsnurr omges av uppåtsnurr och vice versa. De alternerande snurrarna avbryter varandra, så materialet som helhet är inte magnetiskt i vanlig mening.

Skulle nickelat ha samma egenskaper? Att få reda på, forskare tog prover av det till Diamond Light Source-synkrotronen i Storbritannien för undersökning med resonant oelastisk röntgenspridning, eller RIXS. I denna teknik, forskare sprider röntgenljus från ett materialprov. Denna injicering av energi skapar magnetiska excitationer - krusningar som färdas genom materialet och slumpmässigt vänder snurrarna på några av dess elektroner. RIXS tillåter forskare att mäta mycket svaga excitationer som inte kunde observeras annars.

Skapa nya recept

"Det vi finner är ganska intressant, "Sade Lee. "Datan visar att nickelat har samma typ av antiferromagnetisk interaktion som kuprater har. Den har också en liknande magnetisk energi, vilket återspeglar styrkan i interaktionerna mellan närliggande snurr som håller denna magnetiska ordning på plats. Detta innebär att samma typ av fysik är viktig i båda."

Men det finns också skillnader, noterade Rossi. Magnetiska excitationer sprids inte lika långt i nickelater, och dör ut snabbare. Doping påverkar också de två materialen olika; de positivt laddade "hålen" det skapar är koncentrerade kring nickelatomer i nickelater och kring syreatomer i koppar, och detta påverkar hur deras elektroner beter sig.

När detta arbete fortsätter, Rossi sa, Teamet kommer att testa hur dopning av nickelat på olika sätt och byte av olika sällsynta jordartsmetaller in i skikten mellan nickeloxidskivorna påverkar materialets supraledning – vilket banar väg, de hoppas, till upptäckten av bättre supraledare.