Возможно ли, что защитный слой, используемый при создании сверхпроводящих материалов, вводит нас в заблуждение относительно их истинных свойств? Исследователи из Национальной лаборатории Брукхейвена Министерства энергетики США, работающие в Национальном синхротронном источнике света II (NSLS-II), задались именно этим вопросом, изучая так называемые «бесконечнослойные» никелаты – перспективные материалы для высокотемпературной сверхпроводимости.
В мире физики, сверхпроводимость – это феномен, когда материал теряет сопротивление электрическому току. Более ста лет назад, в 1911 году, был открыт первый сверхпроводник – ртуть, продемонстрировавшая этот эффект при температуре -415°F. С тех пор, наука продвинулась дальше, и в середине 1980-х годов были открыты купраты – высокотемпературные сверхпроводники на основе меди, работающие при температурах, близких к -297.7°F. Это открытие открыло новые перспективы для технологических применений, но и подтолкнуло к поиску других материалов с аналогичными свойствами.
Именно здесь на сцену выходят никелаты. Около 25 лет ученые искали сверхпроводимость в этих материалах. Соединение неодима с добавлением стронция и никеля привело к созданию «бесконечнослойных» никелатов – материалов, в которых атомы никеля располагаются в виде двумерной квадратной решетки. Но есть одна загвоздка: эти материалы проявляют сверхпроводимость только в виде тонких пленок, которые, в свою очередь, требуют защиты от воздействия воды и кислорода, что достигается нанесением защитного слоя из титаната стронция. Этот слой, однако, ставит вопрос о том, насколько наблюдаемые свойства никелатов являются их собственными, а не результатом влияния защитного покрытия.
Чтобы разобраться в этом, исследователи обратились к передовым методам рентгеновской спектроскопии, используя два разных пучка в NSLS-II: мягкое неупругое рентгеновское рассеяние (SIX) и когерентное мягкое рентгеновское рассеяние (CSX). Под руководством Шию Фана, постдокторанта SIX, и Джонатана Пелличиари, ученого-пучка на SIX, они изучали образцы никелатов как с защитным слоем, так и без него. При помощи резонантного упругого рентгеновского рассеяния (REXS) на пучке CSX под руководством Клаудио Маццоли, ведущего ученого-пучка, ученые подробно изучали атомную и электронную структуру материалов. В то же время, резонантное неупругое рентгеновское рассеяние (RIXS) на пучке SIX позволило исследовать плотность, движение и взаимодействие электронов и спинов в материале.
Результаты исследований оказались весьма интересными. Анализ выявил, что магнитные флуктуации (спиновые возбуждения), которые, как считается, играют ключевую роль в сверхпроводимости, являются внутренним свойством никелатов. Они присутствуют как в образцах с защитным слоем, так и без него, хотя в образцах с покрытием наблюдается небольшое усиление магнитных свойств из-за взаимодействия на границе раздела материалов и небольших структурных изменений. Важно отметить, что спиновые возбуждения остаются стабильными в сверхпроводящей фазе.
Эти результаты подтверждают, что магнитные свойства, связанные с электронной структурой материала, являются неотъемлемой характеристикой «бесконечнослойных» никелатов и не зависят от защитного слоя. Сходство между этими материалами и купратами, также проявляющими высокотемпературную сверхпроводимость, подчеркивает фундаментальную важность понимания магнитных свойств для управления сверхпроводимостью в целом.
Полученные данные опубликованы в журнале Physical Review Letters (2024) с DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.206501, а также доступны на сервере arXiv с DOI: 10.48550/arxiv.2409.. Это исследование имеет далеко идущие последствия для развития технологий, использующих сверхпроводимость, включая линии электропередач, поезда на магнитной левитации, аппараты МРТ и системы хранения энергии.
Изучение сверхпроводящих материалов и понимание их свойств на фундаментальном уровне является ключом к созданию новых технологий, которые могут изменить нашу жизнь. Осознание общих черт и различий между купратами и никелатами приближает нас к пониманию механизмов сверхпроводимости и, в конечном счете, к созданию материалов, работающих при более высоких температурах. Это, в свою очередь, откроет двери для еще более широкого применения сверхпроводимости в различных областях.
Изображение носит иллюстративный характер
В мире физики, сверхпроводимость – это феномен, когда материал теряет сопротивление электрическому току. Более ста лет назад, в 1911 году, был открыт первый сверхпроводник – ртуть, продемонстрировавшая этот эффект при температуре -415°F. С тех пор, наука продвинулась дальше, и в середине 1980-х годов были открыты купраты – высокотемпературные сверхпроводники на основе меди, работающие при температурах, близких к -297.7°F. Это открытие открыло новые перспективы для технологических применений, но и подтолкнуло к поиску других материалов с аналогичными свойствами.
Именно здесь на сцену выходят никелаты. Около 25 лет ученые искали сверхпроводимость в этих материалах. Соединение неодима с добавлением стронция и никеля привело к созданию «бесконечнослойных» никелатов – материалов, в которых атомы никеля располагаются в виде двумерной квадратной решетки. Но есть одна загвоздка: эти материалы проявляют сверхпроводимость только в виде тонких пленок, которые, в свою очередь, требуют защиты от воздействия воды и кислорода, что достигается нанесением защитного слоя из титаната стронция. Этот слой, однако, ставит вопрос о том, насколько наблюдаемые свойства никелатов являются их собственными, а не результатом влияния защитного покрытия.
Чтобы разобраться в этом, исследователи обратились к передовым методам рентгеновской спектроскопии, используя два разных пучка в NSLS-II: мягкое неупругое рентгеновское рассеяние (SIX) и когерентное мягкое рентгеновское рассеяние (CSX). Под руководством Шию Фана, постдокторанта SIX, и Джонатана Пелличиари, ученого-пучка на SIX, они изучали образцы никелатов как с защитным слоем, так и без него. При помощи резонантного упругого рентгеновского рассеяния (REXS) на пучке CSX под руководством Клаудио Маццоли, ведущего ученого-пучка, ученые подробно изучали атомную и электронную структуру материалов. В то же время, резонантное неупругое рентгеновское рассеяние (RIXS) на пучке SIX позволило исследовать плотность, движение и взаимодействие электронов и спинов в материале.
Результаты исследований оказались весьма интересными. Анализ выявил, что магнитные флуктуации (спиновые возбуждения), которые, как считается, играют ключевую роль в сверхпроводимости, являются внутренним свойством никелатов. Они присутствуют как в образцах с защитным слоем, так и без него, хотя в образцах с покрытием наблюдается небольшое усиление магнитных свойств из-за взаимодействия на границе раздела материалов и небольших структурных изменений. Важно отметить, что спиновые возбуждения остаются стабильными в сверхпроводящей фазе.
Эти результаты подтверждают, что магнитные свойства, связанные с электронной структурой материала, являются неотъемлемой характеристикой «бесконечнослойных» никелатов и не зависят от защитного слоя. Сходство между этими материалами и купратами, также проявляющими высокотемпературную сверхпроводимость, подчеркивает фундаментальную важность понимания магнитных свойств для управления сверхпроводимостью в целом.
Полученные данные опубликованы в журнале Physical Review Letters (2024) с DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.206501, а также доступны на сервере arXiv с DOI: 10.48550/arxiv.2409.. Это исследование имеет далеко идущие последствия для развития технологий, использующих сверхпроводимость, включая линии электропередач, поезда на магнитной левитации, аппараты МРТ и системы хранения энергии.
Изучение сверхпроводящих материалов и понимание их свойств на фундаментальном уровне является ключом к созданию новых технологий, которые могут изменить нашу жизнь. Осознание общих черт и различий между купратами и никелатами приближает нас к пониманию механизмов сверхпроводимости и, в конечном счете, к созданию материалов, работающих при более высоких температурах. Это, в свою очередь, откроет двери для еще более широкого применения сверхпроводимости в различных областях.
