Новое исследование показывает, что сверхпроводники на основе оксида никеля, которые проводят электричество без потерь при более высоких температурах, чем обычные сверхпроводники, содержат тип квантовой материи, называемой волнами плотности заряда, или ВЗП, которые могут поддерживать сверхпроводимость.
Присутствие CDW показывает, что эти недавно открытые материалы, также известные как никелаты, способны образовывать коррелированные состояния — «электронные супы», которые могут содержать различные квантовые фазы, включая сверхпроводимость, согласно исследованиям исследователей из SLAC Министерства энергетики. Национальная ускорительная лаборатория. и Стэнфордский университет сообщили в Естественная физика Cегодня.
«В отличие от любого другого сверхпроводника, о котором мы знаем, CDW появляются еще до того, как мы легируем материал, заменяя одни атомы другими, чтобы изменить количество свободных электронов», — сказал ученый Вей-Шэн Ли и главный исследователь SLAC. со Стэнфордским институтом материаловедения и энергетики (SIMES), который руководил исследованием.
«Это делает никелаты очень интересной новой системой — новой площадкой для изучения нетрадиционных сверхпроводников. »
Никелаты и купраты
За 35 лет, прошедших с открытия первых нетрадиционных «высокотемпературных» сверхпроводников, исследователи изо всех сил пытались найти такой, который мог бы без потерь проводить электричество при температуре, близкой к комнатной. Это будет разработка, которая изменит правила игры, и позволит использовать такие вещи, как идеально эффективные линии электропередач, поезда на магнитной подвеске и множество других футуристических энергоэффективных технологий.
Но хотя энергичные глобальные исследования выявили многие аспекты их природы и поведения, люди до сих пор точно не знают, как эти материалы становятся сверхпроводниками.
Таким образом, открытие сверхпроводящих способностей никелата исследователями SIMES три года назад было захватывающим, поскольку оно дало ученым новый взгляд на проблему.
С тех пор исследователи SIMES изучили электронную структуру никелатов — по сути, поведение их электронов — и их магнитное поведение. Эти исследования выявили важные сходства и тонкие различия между никелатами и оксидами меди или купратами — первыми когда-либо обнаруженными высокотемпературными сверхпроводниками, которые до сих пор являются мировыми рекордсменами по работе при высоких температурах при обычном давлении.
Поскольку в периодической таблице элементов никель и медь соседствуют друг с другом, ученые не удивились, увидев родство, и даже подозревали, что никелаты могут быть хорошими сверхпроводниками. Но оказалось крайне сложно построить материалы с точно подходящими характеристиками.
«Это все еще очень ново», — сказал Ли. «Люди все еще пытаются синтезировать тонкие пленки из этих материалов и понять, как различные условия могут повлиять на основные микроскопические механизмы, связанные со сверхпроводимостью. »
Рябь замороженных электронов
ВЗП — это лишь одно из странных состояний материи, которые борются за выдающееся положение в сверхпроводящих материалах. Вы можете думать о них как о узоре замороженных электронных волн, наложенных на атомную структуру материала, с более высокой электронной плотностью в пиках волн и более низкой электронной плотностью во впадинах.
Когда исследователи регулируют температуру материала и уровень легирования, появляются и исчезают различные состояния. Когда условия идеальны, электроны в материале теряют свою индивидуальную идентичность и образуют электронный суп, и могут возникнуть квантовые состояния, такие как сверхпроводимость и ВЗП.
Предыдущее исследование группы SIMES не обнаружило CDW в никелатах, содержащих редкоземельный элемент неодим. Но в этом последнем исследовании команда SIMES создала и исследовала другой никелатный материал, в котором неодим был заменен другим редкоземельным элементом, лантаном.
«Появление CDW может быть очень чувствительным к таким факторам, как напряжение или беспорядок в их среде, которые можно настроить с помощью различных редкоземельных элементов», — объяснил Маттео Росси, который руководил экспериментами, когда он был научным сотрудником SLAC.
Команда провела эксперименты с тремя источниками рентгеновского излучения — источником алмазного света в Великобритании, источником синхротронного излучения в Стэнфорде в SLAC и усовершенствованным источником света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США. Каждое из этих средств предлагало специализированные инструменты для исследования и понимания материала на фундаментальном уровне. Все эксперименты пришлось проводить дистанционно из-за ограничений, связанных с пандемией.
«По сути, самодопинг»
Эксперименты показали, что этот никелат может содержать как ВЗП, так и сверхпроводящие состояния вещества — и что эти состояния присутствовали еще до того, как материал был легирован. Это было неожиданно, поскольку легирование обычно является важным элементом приведения материалов в состояние сверхпроводимости.
Ли сказал, что тот факт, что этот никелат по существу является самолегирующимся, существенно отличает его от купратов.
«Это делает никелаты очень интересной новой системой для изучения того, как эти квантовые фазы конкурируют или переплетаются», — сказал он. «И это означает, что многие инструменты, используемые для изучения других нетрадиционных сверхпроводников, могут также иметь отношение к этому. »
Образцы, используемые в этом исследовании, были синтезированы в лаборатории профессора Стэнфорда и SLAC и директора SIMES Гарольда Хванга. Основное финансирование поступило от Управления науки Министерства энергетики США. Стэнфордский источник синхротронного излучения и усовершенствованный источник света являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.
