电子发现彼此排斥。没什么个人的 - 只是他们的负电荷相互排斥。因此，让它们配对并一起旅行，就像它们在超导材料中所做的那样，需要一点推动力。

在1911年发现的老式超导体中，在极冷的温度下无电阻地传导电流，这种推动来自材料原子晶格中的振动。

但是在较新的“非常规”超导体中，如铜氧化物或铜酸盐 - 它们特别令人兴奋，因为它们有可能在接近室温的情况下运行，例如零损耗功率传输 - 没有人确切知道推动是什么。研究人员认为，它可能涉及电荷条纹，产生磁激发的触发器电子自旋波，或某种事物的组合。

为了通过从稍微不同的角度看待这个问题来了解更多信息，斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员合成了另一种非常规的超导体家族 - 镍氧化物或镍酸盐。从那时起，他们花了三年时间研究镍酸盐的性质，并将其与铜酸盐进行比较。

在《自然物理学》（Nature Physics）的一篇论文中，研究小组现在报告了它发现的一个显着差异：与铜酸盐不同，镍酸盐中的磁场始终处于开启状态。

研究人员说，镍酸盐本质上是磁性的，就好像每个镍原子都紧紧抓住一块微小的磁铁。无论镍酸盐处于非超导状态，还是正常状态，或者处于超导状态，电子已经配对并形成一种量子汤，可以容纳量子物质的交织相，都是如此。另一方面，铜酸盐在其超导状态下不具有磁性。

“这项研究研究了镍酸盐与铜酸盐相比的基本性质，以及这可以告诉我们关于非常规超导体的一般信息，”SLAC斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）的博士后研究员Jennifer Fowlie说。

她说，一些研究人员认为磁性和超导性在这种类型的系统中相互竞争。其他人认为除非磁性近在咫尺，否则你不可能有超导性。

“虽然我们的结果并没有解决这个问题，但它们确实突出了应该做更多工作的地方，”Fowlie说。“它们标志着第一次在超导和镍酸盐的正常状态下都对磁性进行了检查。

“这是我们研究界在努力构建这些令人兴奋的材料的核心性质和现象时提出的另一个重要难题，”SLAC和斯坦福大学教授，SIMES主任Harold Hwang说。

在这个研究领域，很少有事情是容易的，研究镍酸盐比大多数人更难。虽然理论家在20多年前就预测，镍酸盐与铜酸盐的化学相似性使它们有可能具有超导性，但镍酸盐很难制造，以至于SLAC和斯坦福大学团队成功之前，经过多年的尝试。

即便如此，他们也只能制造材料的薄膜 - 而不是使用常见的表征技术探索其特性所需的更厚的块。Hwang说，世界各地的许多研究小组一直在研究以任何形式合成镍酸盐的更简单的方法。

因此，研究小组转向了一种更奇特的表征技术，称为低能μ介子自旋旋转/弛豫，可以测量薄膜的磁性，并且仅在瑞士的Paul Scherrer研究所（PSI）获得。

μ介子是基本带电粒子，与电子相似，但质量是电子的207倍。它们在腐烂之前只停留了220万分之一秒。带正电的μ介子，通常是这些实验的首选，衰变成正电子，中微子和反中微子。像它们的电子表亲一样，它们像陀螺一样旋转，并响应磁场改变自旋的方向。但它们只能在周围环境中“感觉到”这些场 - 大约1nm远。

在PSI，科学家使用一束μ介子将小颗粒嵌入他们想要研究的材料中。当μ介子衰变时，它们产生的正电子沿着μ介子旋转的方向飞走。通过将正电子追溯到它们的起源，研究人员可以看到μ介子在眨眼消失时指向的方向，从而确定材料的整体磁性。

SLAC团队在2020年申请对PSI系统进行实验，但随后COVID-19大流行使得无法进出瑞士。幸运的是，Fowlie当时是日内瓦大学的博士后，已经计划来到SLAC在Hwang的团队工作。因此，她与安德烈亚斯·苏特（Andreas Suter）领导的团队一起在瑞士开始了第一轮实验，安德烈亚斯·苏特是PSI的高级科学家，也是从μ介子衰变数据中提取超导和磁性信息的专家。

在2021年5月到达SLAC后，Fowlie立即开始制造各种类型的镍酸盐化合物，该团队希望在第二轮实验中进行测试。当旅行限制结束时，该团队终于能够返回瑞士完成研究。

PSI独特的实验装置使科学家能够在镍酸盐材料中精确嵌入深度的μ介子。由此，研究人员能够确定化学成分略有不同的各种镍酸盐化合物的每个超薄层中发生了什么。他们发现只有含有镍原子的层是磁性的。

Hwang说，世界各地对镍酸盐的兴趣非常高。六个研究小组已经发表了他们自己的合成镍酸盐的方法，并正在努力提高他们研究的样品的质量，大量的理论家正试图提出见解，以指导研究朝着富有成效的方向发展。

“我们正试图利用我们作为一个研究社区所拥有的资源尽我们所能，”他说，“但我们仍然可以学习和做更多的事情。

这个故事改编自SLAC国家加速器实验室的材料，并由Materials Today进行了编辑更改。本文中表达的观点不一定代表爱思唯尔的观点。链接到原始源。