能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家发现了有关镍基超导材料家族中电子的新细节。在Physical Review X上发表的两篇论文中描述了这项研究 ，揭示了这些镍基材料与铜基超导体有某些相似之处和关键区别。比较这两种“高温”超导体可能有助于科学家将这些材料的关键特性归零，这些特性对于这些材料具有非凡的承载电流而不损失热量的能力至关重要。

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“了解高温超导体是一项长达数十年的挑战，”布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学系的马克迪恩说，他领导了两篇论文中描述的研究。自从 20 世纪 80 年代发现铜基超导体或铜酸盐超导体以来，科学家们一直在努力了解是什么让它们起作用。

这种兴趣在很大程度上是由它们在节能应用方面的潜力所驱动的。想象一下电力线可以将电力输送到远离风能和太阳能发电场的家庭，而不会损失一点能量，以及可以完美运行的计算机和其他设备，而无需昂贵且耗能的冷却。

问题是，尽管有“高温”的绰号，但铜酸盐超导体本身必须保持极冷才能运行——远低于零华氏度。发现是什么让这些材料中的电子能够克服它们正常的“类电荷”排斥并无阻力地流动，这或许可以为在更接近真实世界条件下运行的超导体指明方向。

“这些材料也是努力理解其他电子相互作用非常强烈的量子材料的试验台，”田纳西大学的理论家和该论文的合著者史蒂文约翰斯顿说。“你可以合理地论证这是材料物理学中最重要的开放性问题。”

镍类似物

作为破解铜酸盐案件的一部分，科学家们一直在寻找类似物——他们可以研究和比较类似的超导化合物，从而为他们提供改善性能的线索。

“也许，如果你只是调整一些东西，你可以使诸如过渡到超导性的温度等特性更高，或者你可以用更便宜的元素制造材料以供应用，”布鲁克海文的博士后研究员、论文的第一作者 Yao Shen 说。出版物。

镍是合乎逻辑的选择。它在元素周期表中接近铜，这意味着由这些相邻的过渡金属制成的化合物可能以类似的方式运作，但有足够的差异来指出什么是超导性的必要条件。

但甚至在斯坦福大学的科学家于 2019 年成功创造出镍基超导体之前，其他人就想知道镍化合物是否可以被视为铜酸盐的真正类似物。一旦镍酸盐被合成，寻找答案的探索就开始了。

“看到”电子行为

这些研究在布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 中使用了X 射线，这是 能源部科学办公室用户设施，可以研究各种材料的微观结构、化学和其他特性。该团队使用 由研究合作者 Valentina Bisogni 和 Jonathan Pelliciari 运行的软非弹性 X 射线 (SIX) 光束线，将层状镍酸盐超导体 (La 4 Ni 3 O 8 ) 的电子特性与众所周知的铜酸盐超导体的电子特性进行比较(La 2−x Sr x CuO 4 )。

他们想知道每种化合物中的哪些电子(来自哪些元素)对超导性和其他电子特性有贡献，包括“电荷密度波”的存在。这种有序的电子模式可能在产生材料的超导性方面发挥作用。

“科学家们有证据表明，铜酸盐的超导性与铜离子之间非常强的磁相互作用有关，”来自阿贡国家实验室的合作科学家迈克尔诺曼说。“因此，除了比较这两种材料中参与超导性的电子外，我们还想寻找这些镍酸盐中镍离子之间磁相互作用的证据，并了解哪些元素有助于形成电荷和磁密度波的电子这些材料。”

SIX 光束线具有世界领先的能量分辨率，通过使用称为共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 的技术将 X 射线能量精确调整到样品中的单个元素，科学家们可以“看到”这些亚原子尺度的细节).

“我们可以调整我们的 X 射线能量以与氧或镍或其他元素共振，然后我们可以看到这些特定元素的电子特性，”Dean 说。“我们将其与理论计算结合使用，以详细了解这些材料如何以电子方式工作。”

主要异同点

研究结果表明镍酸盐超导体和铜酸盐超导体之间存在显着相似之处，但也存在一些差异。

例如，科学家们发现，在这两组材料中，过渡金属(铜或镍)和氧都对材料的电子特性有贡献，但镍原子之间由介入氧介导的磁相互作用略弱于铜酸盐中铜原子之间氧介导的磁相互作用。

“铜酸盐在铜和氧之间具有非常好的对齐能量，这就是为什么它们具有很强的磁性，”沉说。“类似的事情也发生在镍化合物中，只是程度稍微不那么完美。”

科学家们发现，在两类超导体中，有助于产生电荷序(电荷密度波)的电子特性存在一些关键差异。事实证明，镍酸盐中的电荷密度波比铜酸盐中的电荷密度波复杂得多，它来自材料中所有不同元素的综合相互作用。

“这些发现表明镍化合物有望更多地了解铜酸盐的工作原理，并且它们表明您可能希望改变镍化合物以使其更像铜酸盐的不同方式 - 具有更强的磁性或更强的超导性，” Brookhaven 的博士后研究员 Jennifer Sears 说。

“X 射线在探索这些类型的问题方面确实显示了它们的力量。NSLS-II 的功能使我们能够以一种如果没有新一代 RIXS 仪器就不会出现的方式非常快速地解决这个物理问题，”哈佛大学的合作者 Matteo Mitrano 指出。

下一步包括探索稀土元素——镧、锶等——对这些材料特性的贡献。

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