03.08.2022 - SLAC National Accelerator Laboratory

Studie zeigt, dass Nickelat-Supraleiter inhärent magnetisch sind

Wellen magnetischer Erregung durchziehen dieses aufregende neue Material, ob es nun supraleitend ist oder nicht

Elektronen finden sich gegenseitig abstoßend. Nichts Persönliches - es ist nur so, dass sich ihre negativen Ladungen gegenseitig abstoßen. Um sie dazu zu bringen, sich zu paaren und gemeinsam zu reisen, wie es in supraleitenden Materialien der Fall ist, bedarf es also eines kleinen Anstoßes.

Bei den klassischen Supraleitern, die 1911 entdeckt wurden und elektrischen Strom widerstandslos leiten, allerdings nur bei extrem kalten Temperaturen, kommt der Anstoß von Schwingungen im Atomgitter des Materials.

Bei neueren, "unkonventionellen" Supraleitern - die besonders interessant sind, weil sie bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur funktionieren und beispielsweise eine verlustfreie Energieübertragung ermöglichen - weiß niemand genau, was der Anstoß ist, obwohl die Forscher vermuten, dass es sich dabei um Streifen elektrischer Ladung, um Wellen umherschwingender Elektronenspins, die magnetische Anregungen erzeugen, oder um eine Kombination aus diesen Faktoren handeln könnte.

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

In einem heute in Nature Physics veröffentlichten Artikel berichtet das Team über einen bedeutenden Unterschied: Anders als bei den Kupraten sind die Magnetfelder in Nickelaten immer eingeschaltet.

Magnetismus: Freund oder Feind?

Nickelate, so die Wissenschaftler, sind von Natur aus magnetisch, so als ob jedes Nickelatom einen winzigen Magneten umklammert. Dies gilt sowohl für nicht-supraleitende Nickelate als auch für supraleitende Nickelate, bei denen sich die Elektronen gepaart und eine Art Quantensuppe gebildet haben, in der sich verschlungene Phasen von Quantenmaterie befinden können. Kuprate hingegen sind in ihrem supraleitenden Zustand nicht magnetisch

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

Einige Forscher sind der Meinung, dass Magnetismus und Supraleitung in dieser Art von System miteinander konkurrieren, so Fowlie, während andere der Meinung sind, dass es keine Supraleitung geben kann, wenn der Magnetismus nicht in der Nähe ist.

"Unsere Ergebnisse klären diese Frage zwar nicht, aber sie zeigen auf, wo noch mehr Arbeit geleistet werden sollte", so Fowlie. "Und sie markieren das erste Mal, dass der Magnetismus sowohl im supraleitenden als auch im normalen Zustand von Nickelaten untersucht wurde."

Harold Hwang, Professor am SLAC und in Stanford und Direktor von SIMES, sagte: "Dies ist ein weiteres wichtiges Teil des Puzzles, das die Forschungsgemeinschaft zusammensetzt, während wir daran arbeiten, die Eigenschaften und Phänomene im Herzen dieser aufregenden Materialien zu verstehen."

Das Myon

Wenige Dinge sind in diesem Forschungsbereich einfach, und das Studium der Nickelate war schwieriger als die meisten anderen.

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

Selbst dann konnten sie nur dünne Schichten des Materials herstellen - nicht die dickeren Brocken, die zur Erforschung seiner Eigenschaften mit den üblichen Techniken erforderlich sind. Eine Reihe von Forschergruppen auf der ganzen Welt haben an einfacheren Methoden zur Synthese von Nickelaten in jeder Form gearbeitet, so Hwang.

Das Forschungsteam wandte sich daher einer exotischeren Methode zu, der so genannten Spin-Rotation/Relaxation mit niederenergetischen Myonen, mit der die magnetischen Eigenschaften dünner Filme gemessen werden können und die nur am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz verfügbar ist.

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

Am PSI verwenden die Wissenschaftler einen Strahl von Myonen, 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 Forscher die Positronen bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgen, können sie feststellen, in welche Richtung die Myonen beim Zerfall geflogen sind, und so die allgemeinen magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmen.

Eine Umgehung finden

Das SLAC-Team hatte sich für Experimente mit dem PSI-System im Jahr 2020 beworben, doch dann machte die Pandemie eine Reise in die Schweiz oder aus der Schweiz unmöglich. Glücklicherweise war Fowlie zu dieser Zeit als Postdoc an der Universität Genf tätig und plante bereits, nach SLAC zu kommen, um in Hwangs Gruppe zu arbeiten. So begann sie die erste Runde von Experimenten in der Schweiz mit einem Team unter der Leitung von Andreas Suter, einem leitenden Wissenschaftler am PSI und Experten für die Extraktion 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 Experimentierrunde testen wollte. Als die Reisebeschränkungen endeten, konnte das Team endlich in die Schweiz zurückkehren, um die Studie zu beenden.

Der einzigartige Versuchsaufbau am PSI erlaubt es den Wissenschaftlern, Myonen in präziser Tiefe in die Nickelat-Materialien einzubetten. Auf diese Weise konnten sie feststellen, was in jeder hauchdünnen Schicht verschiedener Nickelatverbindungen mit leicht unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung vor sich ging. Sie entdeckten, dass nur die Schichten, die Nickelatome enthielten, magnetisch waren.

Das Interesse an den Nickelaten ist weltweit sehr groß, so Hwang. Ein halbes Dutzend Forschergruppen haben ihre eigenen Methoden zur Synthese von Nickelaten veröffentlicht und arbeiten daran, die Qualität der von ihnen untersuchten Proben zu verbessern, und eine Vielzahl von Theoretikern versucht, Erkenntnisse zu gewinnen, um die Forschung in produktive Bahnen zu lenken.

"Wir versuchen, mit den Ressourcen, die uns als Forschungsgemeinschaft zur Verfügung stehen, unser Möglichstes zu tun", sagte er, "aber es gibt noch viel mehr, was wir lernen und tun können."

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