En myon, mitt, snurrar som en topp inom atomgittret av en tunn film av supraledande nickelat. Dessa elementarpartiklar kan känna av magnetfältet som skapas av elektronsnurr upp till en miljarddels meter bort. Genom att bädda in myoner i fyra nickelatföreningar vid Paul Scherrer Institute i Schweiz upptäckte forskare vid SLAC och Stanford att nickelaten de testade är värd för magnetiska excitationer oavsett om de är i supraledande tillstånd eller inte - en annan ledtråd i den långa strävan att förstå hur okonventionellt supraledare kan leda elektrisk ström utan förlust. Kredit:Jennifer Fowlie/SLAC National Accelerator Laboratory
Elektroner finner varandra frånstötande. Inget personligt – det är bara att deras negativa laddningar stöter bort varandra. Så att få dem att para ihop och resa tillsammans, som de gör i supraledande material, kräver en liten knuff.
I old-school supraledare, som upptäcktes 1911 och leder elektrisk ström utan motstånd, men bara vid extremt kalla temperaturer, kommer knuffarna från vibrationer i materialets atomgitter.
Men i nyare, "okonventionella" supraledare – som är särskilt spännande på grund av deras potential att arbeta nära rumstemperatur för saker som nollförlust kraftöverföring – vet ingen säkert vad knuffen är, även om forskare tror att det kan involvera ränder av elektrisk laddning, vågor av flip-flopping elektronsnurr som skapar magnetiska excitationer, eller någon kombination av saker.
I hopp om att lära sig mer genom att se på problemet från en lite annan vinkel, syntetiserade forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory en annan okonventionell supraledarefamilj - nickeloxiderna eller nickelater. Sedan dess har de ägnat tre år åt att undersöka nickelatens egenskaper och jämföra dem med en av de mest kända okonventionella supraledarna, kopparoxiderna eller kupraterna.
Och i en artikel publicerad i Nature Physics idag rapporterade teamet om en signifikant skillnad:Till skillnad från i cuprates är magnetfälten i nickelater alltid på.
Magnetism:Vän eller fiende?
Nickelater, sa forskarna, är i sig magnetiska, som om varje nickelatom höll i en liten magnet. Detta gäller oavsett om nickelatet är i sitt icke-supraledande eller normala tillstånd eller i ett supraledande tillstånd där elektroner har parat sig och bildat en sorts kvantsoppa som kan vara värd för sammanflätade faser av kvantmateria. Cuprates, å andra sidan, är inte magnetiska i sitt supraledande tillstånd.
"Denna studie tittade på grundläggande egenskaper hos nickelater jämfört med kuprater, och vad det kan säga oss om okonventionella supraledare i allmänhet", säger Jennifer Fowlie, en postdoktor vid SLAC:s Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) som ledde experiment.
Vissa forskare tror att magnetism och supraledning konkurrerar med varandra i den här typen av system, sa hon; andra tror att du inte kan ha supraledning om inte magnetismen är i närheten.
"Även om våra resultat inte löser den frågan, belyser de var mer arbete förmodligen borde göras," sa Fowlie. "Och de markerar första gången som magnetism har undersökts i både supraledande och normala tillstånd för nickelater."
Harold Hwang, professor vid SLAC och Stanford och chef för SIMES, sa:"Detta är ytterligare en viktig pusselbit som forskarvärlden lägger ihop när vi arbetar för att rama in egenskaperna och fenomenen i hjärtat av dessa spännande material."
Gå in i muon
Få saker är lätta inom det här forskningsområdet, och att studera nickelater har varit svårare än de flesta.
Medan teoretiker förutspådde för mer än 20 år sedan att deras kemiska likhet med cuprates gjorde det troligt att de kunde vara värd för supraledning, är nickelater så svåra att tillverka att det tog flera år av försök innan SLAC- och Stanford-teamet lyckades.
Även då kunde de bara göra tunna filmer av materialet – inte de tjockare bitarna som behövs för att utforska dess egenskaper med vanliga tekniker. Ett antal forskargrupper runt om i världen har arbetat på enklare sätt att syntetisera nickelater i vilken form som helst, sa Hwang.
Så forskargruppen vände sig till en mer exotisk metod, kallad lågenergimyon-spinrotation/avslappning, som kan mäta de magnetiska egenskaperna hos tunna filmer och som endast är tillgänglig vid Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz.
Myoner är grundläggande laddade partiklar som liknar elektroner, men 207 gånger mer massiva. De stannar kvar i bara 2,2 miljondelar av en sekund innan de förfaller. Positivt laddade myoner, som ofta föredras för experiment som dessa, sönderfaller till en positron, en neutrino och en antineutrino. Liksom sina elektronkusiner snurrar de som toppar och ändrar riktningen på sitt spinn som svar på magnetfält. Men de kan bara "känna" dessa fält i sin omedelbara omgivning – upp till ungefär en nanometer eller en miljarddels meter bort.
På PSI använder forskare en stråle av myoner för att bädda in de små partiklarna i materialet de vill studera. När myonerna sönderfaller flyger positronerna de producerar iväg i den riktning som myonen snurrar. Genom att spåra positronerna tillbaka till deras ursprung kan forskare se åt vilket håll myonerna pekade när de blinkade ur existensen och på så sätt bestämma materialets övergripande magnetiska egenskaper.
Hitta en lösning
SLAC-teamet ansökte om att göra experiment med PSI-systemet 2020, men sedan gjorde pandemin det omöjligt att resa in eller ut ur Schweiz. Lyckligtvis var Fowlie postdoc vid universitetet i Genève vid den tiden och planerade redan att komma till SLAC för att arbeta i Hwangs grupp. Så hon startade den första omgången av experiment i Schweiz med ett team ledd av Andreas Suter, en senior forskare vid PSI och en expert på att extrahera information om supraledning och magnetism från data om muonförfall.
Efter att ha kommit till SLAC i maj 2021 började Fowlie omedelbart tillverka olika typer av nickelatföreningar som teamet ville testa i sin andra omgång av experiment. När resebegränsningarna upphörde kunde teamet äntligen åka tillbaka till Schweiz för att avsluta studien.
Den unika experimentella uppställningen vid PSI tillåter forskare att bädda in myoner på exakta djup i nickelatmaterialen. Utifrån detta kunde de avgöra vad som pågick i varje supertunt lager av olika nickelatföreningar med lite olika kemiska sammansättningar. De upptäckte att endast de lager som innehöll nickelatomer var magnetiska.
Intresset för nickelat är mycket stort runt om i världen, sa Hwang. Ett halvdussin forskargrupper har publicerat sina egna sätt att syntetisera nickelater och arbetar med att förbättra kvaliteten på proverna de studerar, och ett stort antal teoretiker försöker komma med insikter för att vägleda forskningen i produktiva riktningar.
"Vi försöker göra vad vi kan med de resurser vi har som forskargemenskap", sa han, "men det finns fortfarande mycket mer vi kan lära oss och göra." + Utforska vidare
