Elektronen vinden elkaar weerzinwekkend. Niets persoonlijks - het is gewoon dat hun negatieve ladingen elkaar afstoten. Dus om ze te laten paren en samen te reizen, zoals ze doen in supergeleidende materialen, is een klein duwtje nodig.

In ouderwetse supergeleiders, die in 1911 werden ontdekt en elektrische stroom geleiden zonder weerstand, maar alleen bij extreem lage temperaturen, komt het duwtje door trillingen in het atomaire rooster van het materiaal.

Maar in nieuwere, "onconventionele" supergeleiders - die vooral opwindend zijn vanwege hun potentieel om bij bijna kamertemperatuur te werken voor zaken als verliesvrije krachtoverbrenging - weet niemand zeker wat het duwtje is, hoewel onderzoekers denken dat het strepen kan zijn van elektrische lading, golven van flip-flopping elektronenspins die magnetische excitaties creëren, of een combinatie van dingen.

In de hoop meer te weten te komen door het probleem vanuit een iets andere hoek te bekijken, hebben onderzoekers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een andere onconventionele supergeleiderfamilie gesynthetiseerd:de nikkeloxiden of nikkelaten. Sindsdien hebben ze drie jaar lang de eigenschappen van de nikkelaten onderzocht en vergeleken met een van de beroemdste onconventionele supergeleiders, de koperoxiden of cupraten.

En in een paper gepubliceerd in Nature Physics vandaag meldde het team een ​​significant verschil:in tegenstelling tot de cuprates zijn de magnetische velden in nikkelaten altijd aan.

Magnetisme:vriend of vijand?

Nickelaten, zeiden de wetenschappers, zijn intrinsiek magnetisch, alsof elk nikkelatoom een ​​kleine magneet vasthoudt. Dit is waar, of het nikkelaat zich nu in zijn niet-supergeleidende of normale staat bevindt of in een supergeleidende staat waar elektronen zijn gekoppeld en een soort kwantumsoep hebben gevormd die verstrengelde fasen van kwantummaterie kan herbergen. Cupraten zijn daarentegen niet magnetisch in hun supergeleidende toestand.

"Deze studie keek naar de fundamentele eigenschappen van de nikkelaten in vergelijking met de cuprates, en wat dat ons kan vertellen over onconventionele supergeleiders in het algemeen", zegt Jennifer Fowlie, een postdoctoraal onderzoeker aan het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) van SLAC, die de leiding had over de experimenten.

Sommige onderzoekers denken dat magnetisme en supergeleiding met elkaar concurreren in dit type systeem, zei ze; anderen denken dat je geen supergeleiding kunt hebben tenzij magnetisme dichtbij is.

"Hoewel onze resultaten die vraag niet oplossen, benadrukken ze wel waar waarschijnlijk meer werk moet worden gedaan," zei Fowlie. "En ze markeren de eerste keer dat magnetisme is onderzocht in zowel de supergeleidende als de normale toestand van nikkelaten."

Harold Hwang, een professor aan SLAC en Stanford en directeur van SIMES, zei:"Dit is een ander belangrijk stukje van de puzzel dat de onderzoeksgemeenschap aan het samenstellen is terwijl we werken aan het in kaart brengen van de eigenschappen en fenomenen in het hart van deze opwindende materialen."

Voer de muon in

Er zijn maar weinig dingen die gemakkelijk zijn in dit onderzoeksgebied, en het bestuderen van de nikkelaten was moeilijker dan de meeste.

Terwijl theoretici meer dan 20 jaar geleden voorspelden dat hun chemische gelijkenis met de cuprates het waarschijnlijk maakte dat ze supergeleiding konden bevatten, zijn nikkelaten zo moeilijk te maken dat het jaren van proberen kostte voordat het SLAC- en Stanford-team erin slaagden.

Zelfs toen konden ze alleen dunne films van het materiaal maken - niet de dikkere brokken die nodig waren om de eigenschappen ervan met gewone technieken te onderzoeken. Een aantal onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben gewerkt aan eenvoudigere manieren om nikkelaten in welke vorm dan ook te synthetiseren, zei Hwang.

Dus wendde het onderzoeksteam zich tot een meer exotische methode, de zogenaamde lage-energetische muon-spinrotatie/-ontspanning, die de magnetische eigenschappen van dunne films kan meten en die alleen beschikbaar is bij het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland.

Muonen zijn fundamenteel geladen deeltjes die lijken op elektronen, maar 207 keer zwaarder zijn. Ze blijven slechts 2,2 miljoenste van een seconde hangen voordat ze vervallen. Positief geladen muonen, die vaak de voorkeur hebben voor experimenten als deze, vervallen in een positron, een neutrino en een antineutrino. Net als hun elektronen-neven, draaien ze als toppen en veranderen ze de richting van hun spin als reactie op magnetische velden. Maar ze kunnen die velden alleen in hun directe omgeving 'voelen' - tot op ongeveer een nanometer of een miljardste van een meter afstand.

Bij PSI gebruiken wetenschappers een bundel muonen om de kleine deeltjes in te bedden in het materiaal dat ze willen bestuderen. Wanneer de muonen vervallen, vliegen de positronen die ze produceren weg in de richting waarin het muon draait. Door de positronen terug te traceren naar hun oorsprong, kunnen onderzoekers zien naar welke kant de muonen wezen toen ze verdwenen en zo de algemene magnetische eigenschappen van het materiaal bepalen.

Een tijdelijke oplossing vinden

Het SLAC-team diende een aanvraag in om in 2020 experimenten met het PSI-systeem te doen, maar toen maakte de pandemie het onmogelijk om Zwitserland in of uit te reizen. Gelukkig was Fowlie destijds een postdoc aan de Universiteit van Genève en al van plan om naar SLAC te komen om in de groep van Hwang te werken. Dus begon ze de eerste ronde van experimenten in Zwitserland met een team onder leiding van Andreas Suter, een senior wetenschapper bij PSI en een expert in het extraheren van informatie over supergeleiding en magnetisme uit muonvervalgegevens.

Na aankomst op SLAC mei 2021, begon Fowlie onmiddellijk met het maken van verschillende soorten nikkelaatverbindingen die het team wilde testen in hun tweede ronde van experimenten. Toen de reisbeperkingen ophielden, kon het team eindelijk terug naar Zwitserland om het onderzoek af te ronden.

De unieke experimentele opstelling bij PSI stelt wetenschappers in staat om muonen op precieze diepten in de nikkelhoudende materialen in te bedden. Hieruit konden ze bepalen wat er aan de hand was in elke superdunne laag van verschillende nikkelaatverbindingen met enigszins verschillende chemische samenstellingen. Ze ontdekten dat alleen de lagen die nikkelatomen bevatten magnetisch waren.

De belangstelling voor de nikkelaten is over de hele wereld erg hoog, zei Hwang. Een half dozijn onderzoeksgroepen hebben hun eigen manieren gepubliceerd om nikkelaten te synthetiseren en werken aan het verbeteren van de kwaliteit van de monsters die ze bestuderen, en een groot aantal theoretici probeert met inzichten te komen om het onderzoek in productieve richtingen te sturen.

"We proberen te doen wat we kunnen met de middelen die we hebben als onderzoeksgemeenschap," zei hij, "maar er is nog veel meer dat we kunnen leren en doen." + Verder verkennen

Nieuwe sprong in het begrijpen van nikkeloxide supergeleiders