電子發現彼此排斥。沒什么個人的 - 只是他們的負電荷相互排斥。因此，讓它們配對并一起旅行，就像它們在超導材料中所做的那樣，需要一點推動力。

在1911年發現的老式超導體中，在極冷的溫度下無電阻地傳導電流，這種推動來自材料原子晶格中的振動。

但是在較新的“非常規”超導體中，如銅氧化物或銅酸鹽 - 它們特別令人興奮，因為它們有可能在接近室溫的情況下運行，例如零損耗功率傳輸 - 沒有人確切知道推動是什么。研究人員認為，它可能涉及電荷條紋，產生磁激發的觸發器電子自旋波，或某種事物的組合。

為了通過從稍微不同的角度看待這個問題來了解更多信息，斯坦福大學和美國能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員合成了另一種非常規的超導體家族 - 鎳氧化物或鎳酸鹽。從那時起，他們花了三年時間研究鎳酸鹽的性質，并將其與銅酸鹽進行比較。

在《自然物理學》（Nature Physics）的一篇論文中，研究小組現在報告了它發現的一個顯著差異：與銅酸鹽不同，鎳酸鹽中的磁場始終處于開啟狀態。

研究人員說，鎳酸鹽本質上是磁性的，就好像每個鎳原子都緊緊抓住一塊微小的磁鐵。無論鎳酸鹽處于非超導狀態，還是正常狀態，或者處于超導狀態，電子已經配對并形成一種量子湯，可以容納量子物質的交織相，都是如此。另一方面，銅酸鹽在其超導狀態下不具有磁性。

“這項研究研究了鎳酸鹽與銅酸鹽相比的基本性質，以及這可以告訴我們關于非常規超導體的一般信息，”SLAC斯坦福材料與能源科學研究所（SIMES）的博士后研究員Jennifer Fowlie說。

她說，一些研究人員認為磁性和超導性在這種類型的系統中相互競爭。其他人認為除非磁性近在咫尺，否則你不可能有超導性。

“雖然我們的結果并沒有解決這個問題，但它們確實突出了應該做更多工作的地方，”Fowlie說。“它們標志著第一次在超導和鎳酸鹽的正常狀態下都對磁性進行了檢查。

“這是我們研究界在努力構建這些令人興奮的材料的核心性質和現象時提出的另一個重要難題，”SLAC和斯坦福大學教授，SIMES主任Harold Hwang說。

在這個研究領域，很少有事情是容易的，研究鎳酸鹽比大多數人更難。雖然理論家在20多年前就預測，鎳酸鹽與銅酸鹽的化學相似性使它們有可能具有超導性，但鎳酸鹽很難制造，以至于SLAC和斯坦福大學團隊成功之前，經過多年的嘗試。

即便如此，他們也只能制造材料的薄膜 - 而不是使用常見的表征技術探索其特性所需的更厚的塊。Hwang說，世界各地的許多研究小組一直在研究以任何形式合成鎳酸鹽的更簡單的方法。

因此，研究小組轉向了一種更奇特的表征技術，稱為低能μ介子自旋旋轉/弛豫，可以測量薄膜的磁性，并且僅在瑞士的Paul Scherrer研究所（PSI）獲得。

μ介子是基本帶電粒子，與電子相似，但質量是電子的207倍。它們在腐爛之前只停留了220萬分之一秒。帶正電的μ介子，通常是這些實驗的首選，衰變成正電子，中微子和反中微子。像它們的電子表親一樣，它們像陀螺一樣旋轉，并響應磁場改變自旋的方向。但它們只能在周圍環境中“感覺到”這些場 - 大約1nm遠。

在PSI，科學家使用一束μ介子將小顆粒嵌入他們想要研究的材料中。當μ介子衰變時，它們產生的正電子沿著μ介子旋轉的方向飛走。通過將正電子追溯到它們的起源，研究人員可以看到μ介子在眨眼消失時指向的方向，從而確定材料的整體磁性。

SLAC團隊在2020年申請對PSI系統進行實驗，但隨后COVID-19大流行使得無法進出瑞士。幸運的是，Fowlie當時是日內瓦大學的博士后，已經計劃來到SLAC在Hwang的團隊工作。因此，她與安德烈亞斯·蘇特（Andreas Suter）領導的團隊一起在瑞士開始了第一輪實驗，安德烈亞斯·蘇特是PSI的高級科學家，也是從μ介子衰變數據中提取超導和磁性信息的專家。

在2021年5月到達SLAC后，Fowlie立即開始制造各種類型的鎳酸鹽化合物，該團隊希望在第二輪實驗中進行測試。當旅行限制結束時，該團隊終于能夠返回瑞士完成研究。

PSI獨特的實驗裝置使科學家能夠在鎳酸鹽材料中精確嵌入深度的μ介子。由此，研究人員能夠確定化學成分略有不同的各種鎳酸鹽化合物的每個超薄層中發生了什么。他們發現只有含有鎳原子的層是磁性的。

Hwang說，世界各地對鎳酸鹽的興趣非常高。六個研究小組已經發表了他們自己的合成鎳酸鹽的方法，并正在努力提高他們研究的樣品的質量，大量的理論家正試圖提出見解，以指導研究朝著富有成效的方向發展。

“我們正試圖利用我們作為一個研究社區所擁有的資源盡我們所能，”他說，“但我們仍然可以學習和做更多的事情。

這個故事改編自SLAC國家加速器實驗室的材料，并由Materials Today進行了編輯更改。本文中表達的觀點不一定代表愛思唯爾的觀點。鏈接到原始源。