Sogenannte „Infinite-Layer“ -Nickelatmaterialien, die durch ihre einzigartigen Kristall- und elektronischen Strukturen gekennzeichnet sind, weisen ein signifikantes Potenzial als Hochtemperatur-Supraleiter auf. Die Untersuchung dieser Materialien bleibt für Forscher eine Herausforderung. Sie wurden nur als dünne Filme synthetisiert und dann mit einer Schutzschicht „abgeschlossen“, die die Eigenschaften des nickelierten Schichtsystems verändern könnte.
Um diese Herausforderung zu befriedigen, unter der Leitung von Forschern des National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-einem US-amerikanischen Ministerium für Energieministerium (DOE) Office of Science User Facility im Brookhaven National Laboratory von DOE-verwendete ergänzende Röntgentechniken bei zwei verschiedenen Strahllinien, um neue Einblicke in diese Materialien zu erhalten. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht in Physische Überprüfungsbriefe.
Neue Entdeckungen in einer langen Geschichte
Die Superkonditionivität wurde vor mehr als 100 Jahren erstmals in Mercury entdeckt. Superkonditierende Materialien lassen den Strom ohne Widerstand durch sie fließen und haben daher keinen Stromverlust. Wenn diese Materialien in einen supraleitenden Zustand eintreten, ermöglicht der anhaltende elektrische Strom sie, ein Magnetfeld auszuschließen und auch über magnetische Materialien zu schweben.
Anfangs schienen supraleitende Eigenschaften nur bei extrem niedrigen Temperaturen zu sein –415 Grad Fahrenheit. Mitte der 1980er Jahre fanden die Forscher jedoch fest, dass Kupfermaterialien oder „Cuprates“ diese Eigenschaften bei -297,7 Grad Fahrenheit anzeigen können. Diese Anleitung führte die Forschung in der „Hochtemperatur“ -Umpurität und der Suche nach anderen kupferartigen Hochtemperatur-Supraleitern. Wenn Forscher einen Weg finden können, Materialien mit höheren, praktischeren Temperaturen zu übertragen, können sie eines Tages dazu beitragen -Kapazität Energiespeicher für Elektrofahrzeuge.
In jüngerer Zeit haben Nickel-basierte Materialien als neue Familie von Hochtemperatur-Supraleitern die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, die zu Cuprates analog. Neodym -Nickelat wird besonders interessant, wenn Strontium seiner Struktur zugesetzt wird. Diese Verbindung ist als „unendliche Schicht Nickelat“ bekannt, da Nickelatome in einem zweidimensionalen quadratischen Gitter angeordnet sind, das sich in zwei Dimensionen unbegrenzt wiederholt und den Spitznamen „unendlich“ verdient.
Die Supraleitung in Nickelaten wurde bisher nur in sehr dünnen Filmen beobachtet. Dies wirft Fragen darüber auf, ob die supraleitenden Eigenschaften von Wechselwirkungen an den Schnittstellen zwischen dem Nickelatmaterial und seinem Substrat oder seiner Abdeckschicht abhängen. Frühe Studien lieferten widersprüchliche Ergebnisse zu den Eigenschaften dieser Materialien.
„Dieses System ist empfindlich gegenüber Wasser und Sauerstoff“ Angesichts der sensiblen Systeme können wir auch die Eigenschaften des Materials beeinflussen.
Um diese Frage zu beantworten, verwendete das Team zwei Strahllinien bei NSLS-II, um hochwertige Nickelate-Dünnfilmproben mit und ohne eine Schicht Strontiumtitanat zu untersuchen, um festzustellen, ob die Schicht einen Einfluss auf magnetische und elektronische Eigenschaften hat. Magnetische Eigenschaften sind kritisch, da sie sich auf die intrinsische elektronische Struktur des Materials beziehen, die direkt mit seiner Supraleitung verbunden ist.
Komplementäre Techniken vervollständigen das Bild
Resonante elastische Röntgenstreuung (REXS), die bei der kohärenten Soft-Röntgenstreuung (CSX) bei NSLS-II durchgeführt wird, bietet Forschern eine detaillierte Sicht auf die strukturellen Eigenschaften eines Materials. Dieser Teil des Experiments enthüllte die atomare und elektronische Struktur der unendlichen Schicht-Nickelat-Dünnfilme. Resonante unelastische Röntgenstreuung (RIXS), die an der sechs Beamline durchgeführt wurden, und dann gemessen, wie Röntgenstrahlen die Energie verlieren, wenn sie die Filme verstreuen. Durch die Analyse der Dichte, Bewegung und Wechselwirkungen von Elektronen und Spins erhielten die Forscher wertvolle Einblicke in Prozesse im Zusammenhang mit elektronischen und magnetischen Eigenschaften im Material.
Die Kombination dieser Perspektiven machte ein vollständiges Bild davon, wie sich das Material verhalten, insbesondere alle durch Bedeckung vorgenommenen Änderungen. Die Gruppe stellte fest, dass die magnetischen Schwankungen des Materials oder „Spin -Anregungen“ vorhanden sind, ob die Deckschicht angewendet wird oder nicht, was zeigt, dass Magnetismus eine inhärente Qualität dieser Nickelate ist. In Kackproben sind diese magnetischen Eigenschaften aufgrund von Grenzflächeneffekten nur geringfügig stärker, was möglicherweise auf leichte strukturelle Anpassungen an der Grenzfläche zurückzuführen ist, an der die Kappschicht auf Nickelate, Kristalldefekte oder Gitterstörungen trifft. Die Daten bestätigten auch, dass Spin -Anregungen in diesen Materialien in der supraleitenden Phase stabil sind, ähnlich wie bei Cuprates.
„Rixs reagiert sehr empfindlich gegenüber Magnetismus“, sagte Shiyu Fan, ein Postdoktorandenforscher mit sechs und führender Autor dieser Studie. „Der vielleicht wichtigste Befund dieser Forschung ist die Entwicklung der Spinwelle in Gegenwart oder Abwesenheit der Deckschicht, die auf die magnetischen und supraleitenden Eigenschaften hinweist, die für das unendliche Schicht -Nickelatmaterial intrinsisch sind.“
„Die Ähnlichkeit zwischen Kupferoxidebenen in supraleitenden Cupraten und Nickeloxidebenen in Nickelaten hat seit 25 Jahren Wissenschaftler, die nach Supraleitung in Nickelaten suchen“, sagte Claudio Mazzoli, Lead Beamline -Wissenschaftler bei CSX. „Nachdem es endlich gefunden wurde, müssen wir die Unterschiede und Gemeinsamkeiten in diesen beiden Fällen und die Physik hinter ihnen verstehen, um die Kontrolle über dieses faszinierende Phänomen für technologische Anwendungen zu erlangen.“
Die Forschung und die verwendeten Einrichtungen wurden vom DOE Office of Science finanziert.
