Studie zeigt, dass Nickelat-Supraleiter intrinsisch magnetisch sind

Elektronen finden einander abstoßend. Nichts Persönliches – es ist nur so, dass sich ihre negativen Ladungen gegenseitig abstoßen. Um sie also dazu zu bringen, sich zu paaren und gemeinsam zu reisen, wie sie es in supraleitenden Materialien tun, ist ein kleiner Schubs erforderlich.

Bei Supraleitern der alten Schule, die 1911 entdeckt wurden und elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, aber nur bei extrem kalten Temperaturen, kommt der Anstoß von Schwingungen im Atomgitter des Materials.

Aber bei neueren, „unkonventionellen“ Supraleitern – die wegen ihres Potenzials, für Dinge wie verlustfreie Stromübertragung bei nahe Raumtemperatur zu arbeiten, besonders spannend sind – weiß niemand genau, was der Schubs ist, obwohl Forscher glauben, dass es sich um Streifen handeln könnte von elektrischer Ladung, Wellen von umkippenden Elektronenspins, die magnetische Erregungen erzeugen, oder eine Kombination von Dingen.

In der Hoffnung, mehr zu erfahren, indem sie das Problem aus einem etwas anderen Blickwinkel betrachten, synthetisierten Forscher der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums eine weitere unkonventionelle Supraleiterfamilie – die Nickeloxide oder Nickelate. Seitdem haben sie drei Jahre damit verbracht, die Eigenschaften der Nickelate zu untersuchen und sie mit einem der berühmtesten unkonventionellen Supraleiter, den Kupferoxiden oder Cupraten, zu vergleichen.

Und in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturphysik Heute berichtete das Team über einen signifikanten Unterschied: Anders als bei den Cupraten sind die Magnetfelder bei Nickelaten immer eingeschaltet.

Magnetismus: Freund oder Feind?

Nickelate, sagten die Wissenschaftler, sind intrinsisch magnetisch, als ob jedes Nickelatom einen winzigen Magneten umklammern würde. Dies gilt unabhängig davon, ob sich das Nickelat in seinem nicht-supraleitenden oder normalen Zustand oder in einem supraleitenden Zustand befindet, in dem sich Elektronen gepaart und eine Art Quantensuppe gebildet haben, die verflochtene Phasen von Quantenmaterie beherbergen kann. Cuprate hingegen sind in ihrem supraleitenden Zustand nicht magnetisch.

„Diese Studie untersuchte die grundlegenden Eigenschaften der Nickelate im Vergleich zu den Cupraten und was uns das über unkonventionelle Supraleiter im Allgemeinen sagen kann“, sagte Jennifer Fowlie, Postdoktorandin am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) des SLAC, die die Studie leitete Experimente.

Einige Forscher glauben, dass Magnetismus und Supraleitung in dieser Art von System miteinander konkurrieren, sagte sie; andere denken, dass es keine Supraleitung geben kann, es sei denn, Magnetismus ist in der Nähe.

„Obwohl unsere Ergebnisse diese Frage nicht klären, zeigen sie doch auf, wo wahrscheinlich mehr Arbeit getan werden sollte“, sagte Fowlie. „Und sie markieren das erste Mal, dass Magnetismus sowohl im supraleitenden als auch im normalen Zustand von Nickelaten untersucht wurde.“

Harold Hwang, Professor am SLAC und Stanford und Direktor von SIMES, sagte: „Dies ist ein weiteres wichtiges Puzzleteil, das die Forschungsgemeinschaft zusammensetzt, während wir daran arbeiten, die Eigenschaften und Phänomene im Herzen dieser aufregenden Materialien zu erfassen.“

Geben Sie das Myon ein

Auf diesem Forschungsgebiet sind nur wenige Dinge einfach, und die Untersuchung der Nickelate war schwieriger als die meisten anderen.

Während Theoretiker vor mehr als 20 Jahren voraussagten, dass ihre chemische Ähnlichkeit mit den Cupraten es wahrscheinlich machte, dass sie Supraleitung beherbergen könnten, sind Nickelate so schwierig herzustellen, dass es Jahre des Versuchs dauerte, bis das Team von SLAC und Stanford erfolgreich war.

Selbst damals konnten sie nur dünne Filme aus dem Material herstellen – nicht die dickeren Brocken, die benötigt werden, um seine Eigenschaften mit herkömmlichen Techniken zu untersuchen. Eine Reihe von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt haben an einfacheren Wegen gearbeitet, um Nickelate in irgendeiner Form zu synthetisieren, sagte Hwang.

Daher wandte sich das Forschungsteam einer exotischeren Methode zu, die als niederenergetische Myonen-Spinrotation/-relaxation bezeichnet wird und die magnetischen Eigenschaften dünner Filme messen kann und nur am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz verfügbar ist.

Myonen sind fundamental geladene Teilchen, die Elektronen ähneln, aber 207-mal schwerer sind. Sie bleiben nur 2,2 Millionstel Sekunden lang bestehen, bevor sie zerfallen. Positiv geladene Myonen, die für solche Experimente oft bevorzugt werden, zerfallen in ein Positron, ein Neutrino und ein Antineutrino. Wie ihre Elektronen-Vettern drehen sie sich wie Kreisel und ändern die Richtung ihres Spins als Reaktion auf Magnetfelder. Aber sie können diese Felder nur in ihrer unmittelbaren Umgebung „fühlen“ – bis zu einer Entfernung von etwa einem Nanometer oder einem Milliardstel Meter.

Am PSI verwenden Wissenschaftler einen Myonenstrahl, um die kleinen Teilchen in das zu untersuchende Material einzubetten. Wenn die Myonen zerfallen, fliegen die von ihnen erzeugten Positronen in die Richtung, in die sich das Myon dreht. Indem die Positronen bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden, können die Forscher sehen, in welche Richtung die Myonen zeigten, als sie verschwanden, und so die gesamten magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmen.

Problemumgehung finden

Das SLAC-Team bewarb sich für Experimente mit dem PSI-System im Jahr 2020, aber dann machte die Pandemie die Ein- und Ausreise in die Schweiz unmöglich. Glücklicherweise war Fowlie zu dieser Zeit Postdoc an der Universität Genf und plante bereits, ans SLAC zu kommen, um in Hwangs Gruppe zu arbeiten. Also startete sie die erste Experimentrunde in der Schweiz mit einem Team unter der Leitung von Andreas Suter, leitender Wissenschaftler am PSI und Experte für die Gewinnung von Informationen über Supraleitung und Magnetismus aus Myonenzerfallsdaten.

Nach seiner Ankunft am SLAC im Mai 2021 begann Fowlie sofort mit der Herstellung verschiedener Arten von Nickelatverbindungen, die das Team in seiner zweiten Versuchsrunde testen wollte. Als die Reisebeschränkungen aufgehoben wurden, konnte das Team endlich in die Schweiz zurückkehren, um die Studie abzuschließen.

Der einzigartige experimentelle Aufbau am PSI ermöglicht es den Wissenschaftlern, Myonen in präzisen Tiefen in die Nickelatmaterialien einzubetten. Daraus konnten sie bestimmen, was in jeder hauchdünnen Schicht aus verschiedenen Nickelatverbindungen mit leicht unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen vor sich ging. Sie entdeckten, dass nur die Schichten, die Nickelatome enthielten, magnetisch waren.

Das Interesse an den Nickelaten sei weltweit sehr groß, sagte Hwang. Ein halbes Dutzend Forschungsgruppen haben ihre eigenen Methoden zur Synthese von Nickelaten veröffentlicht und arbeiten daran, die Qualität der von ihnen untersuchten Proben zu verbessern, und eine große Anzahl von Theoretikern versucht, Erkenntnisse zu gewinnen, um die Forschung in produktive Richtungen zu lenken.

„Wir versuchen, mit den Ressourcen, die wir als Forschungsgemeinschaft haben, das zu tun, was wir können“, sagte er, „aber wir können noch viel mehr lernen und tun.“