研究人员部署了先进的X射线技术来探索“无限层”镍酸盐材料。
“无限层”镍酸盐材料具有独特的晶体和电子结构，使其成为高温超导体的有前途的候选者。然而，研究这些材料的过程复杂，因为它们仅在覆盖有保护层的薄膜中生产，这可能改变镍酸盐层状系统的特性。
由美国能源部科学办公室布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II（NSLS-II）的科学家领导的研究团队，利用两个独立的光束线上的多种X射线技术，深化了对这些材料的理解。他们的发现发表在物理评论快报上。
漫长旅程中的新发现
超导现象最初在一个多世纪前的汞中被发现。这些超导材料使电流能够无阻力地通过，从而不导致能量损失。当它们过渡到超导状态时，可以排斥磁场，使它们能够在磁性物体上方悬浮。
最初，似乎超导特性仅在极低温度下出现——具体而言，在-415华氏度。然而，在1980年代，研究人员发现以铜为基础的氧化物材料，称为“铜酸盐”，可以在-297.7华氏度下展示这些特性。这一发现催生了对“高温”超导性的进一步探索，以及寻找类似于铜酸盐的其他高温超导体的追求。如果科学家能够开发出在更高、更可实现的温度下超导的材料，它们可能帮助消除电网中的能量损失，并推动磁悬浮列车、效率更高的MRI机器和增强电动车能量存储等技术的发展。
最近，基于镍的材料作为一种新的高温超导体类别引起了兴趣，类似于铜酸盐。当锶被掺入钕镍酸盐中时，这种配置尤其引人注目。这种配置被称为“无限层镍酸盐”，其中镍原子形成一个在两个维度无限延伸的二维方格晶格，因此得名“无限”。
到目前为止，超导性仅在镍酸盐的薄膜中观察到，这引发了关于这些超导特性是否依赖于镍酸盐与其基底或保护层之间界面的相互作用的问题。以往的研究对这些材料的性质得出了不一致的结论。
“这个系统对水和氧气高度敏感，”NSLS-II软非弹性X射线散射（SIX）光束线的科学家Jonathan（Johnny）Pelliciari指出。“因此，早期的研究使用了非常薄的保护层，并将电子顺序归因于缺乏更厚的表面层。考虑到这些系统的敏感性，即使是微小的变化或缺陷也会影响材料的特性。我们旨在确定这一封顶层的影响，并识别任何潜在的误导信号。”
为了探讨这一主题，团队利用NSLS-II的两个光束线分析了有和没有锶钛酸盐封顶层的高质量镍酸盐薄膜样品，以评估其对其磁性和电子特性的影响。磁性特性至关重要，因为它们与材料的内在电子结构有关，这直接影响其超导性。
整合技术以获取全面的洞察
在NSLS-II的相干软X射线散射（CSX）光束线进行的共振弹性X射线散射（REXS）为研究人员提供了对材料结构属性的全面视角。实验的这一部分阐明了无限层镍酸盐薄膜的原子和电子结构。然后，在SIX光束线上进行的共振非弹性X射线散射（RIXS）评估了X射线在与薄膜散射时如何失去能量。通过检查电子和自旋的密度、运动和相互作用，团队获得了关于塑造材料磁性和电子特性的过程的重要见解。
这些观察的结合提供了材料行为的全面视角，特别是关于封顶层造成的任何变化。研究人员发现，无论是否存在封顶层，磁性波动或“自旋激发”始终存在，表明磁性是这些镍酸盐的基本特征。在被封顶的样品中，由于界面效应，这些磁性特征仅有轻微增强，这可能是由于封顶层与镍酸盐接触的地方的轻微结构变化、晶体缺陷或晶格无序引起的。此外，数据确认这些材料中的自旋激发在超导相中保持稳定，反映出在铜酸盐中观察到的现象。
“RIXS对磁性高度敏感，”SIX的博士后研究员和研究的第一作者Shiyu Fan解释道。“本研究的一个关键发现是自旋波的演变与封顶层的存在或缺失相关，确认了磁性和超导特性是无限层镍酸盐材料的内在属性。”
“超导铜氧化物中的铜氧化物层与镍酸盐中的镍氧化物层之间的相似性驱使科学家们在过去25年里搜索镍酸盐中的超导性。”CSX的首席光束线科学家Claudio Mazzoli表示。“既然它终于被观察到，我们需要理解这些案例之间的区别和共性，以及潜在的物理机制，以便我们能够利用这一非凡现象推动技术进步。”
本研究得到了能源部科学办公室及其使用的设施的支持。
