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江苏激光联盟导读:
国际研究小组观察到氧化镍材料在冷却过程中出现了一个惊人的现象:当温度下降时 , 非但没有被“冻住” , 某些运动实际上会增加 。 氧化镍是一种结构类似于高温超导体的模型系统 。 实验再次表明 , 这类材料的特性依旧值得不断求索!
【超导|冷却过程中反其道而行、运动加剧的氧化镍】氧化镍独特的“抗冻”特性
事实上 , 在所有物质中 , 较低的温度意味着其微观成分的运动较少 。 可用的热能越少 , 原子移动位置或磁矩方向的频率就越低 。 简而言之 , 就是它们会“冻住 。 ”由来自德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)和德国电子同步加速器研究所(DESY)的科学家团队现在首次观察到了与高温超导体密切相关的氧化镍材料的“反常特性” 。 镍酸盐的运动不会在冷却时停滞 , 而是变得更快 。
研究者使用X射线关联能谱法这一创新方法来观察其特性 , 使用相干软X射线跟踪自旋磁矩的时空顺序 。 一经冷却 , 这些自旋即排列成条状 。 尽管这种排序在高温并非完美 , 但是这种随机排列在局部区域是有序的 。 与此同时 , 这种排列不是静态的 , 而是每几分钟就会变化 。 随着冷却持续 , 这些运动和变化一开始会变得越来越慢 , 有序排列的区域也逐渐增多 。 到目前为止 , 这种行为特性与许多材料特性并无不同——可用的热能越少 , 运动型会渐渐被“冻结” , 有序性则越强 。
实验在美国的先进光源(Advanced Light Source——ALS)设备中完成 , 此为其全景图 。 图片来源:Berkeley Lab
但是神奇的现象出现了!随着材料进一步冷却 , 运动和变化变得更快 , 且有序的区域反而进一步收缩 。 因此 , 条状排列在低温下会通过越来越快的波动而不断弱化 , 显示出一种“防冻性” 。 这一观察可能有助于更好地理解铜氧化物(铜酸盐)的高温超导性 。 在铜酸盐中 , 与镍酸盐相似的条状顺序被认为可以与超导性相竞争 。 由于镍酸盐中虽没有超导性 , 但条纹有序性在低温下会削弱 , 因此目前对铜酸盐超导性的描述似乎并不全面 。 很有可能铜酸盐中的条状排列并非简单地被抑制 , 而且由于内在原因而不断削弱 , 从而为超导性的出现“清场腾地” 。
对这一机制的更深层次理解可能有助于控制超导性 。 这项研究显示了相干软X射线在研究空间非均匀材料方面的潜力 , 特别是那些空间非均匀性能衍生新功能的材料 。 几十年来 , 激光关联能谱被用于多种研究 , 如溶液中胶体的运动 。 在软X射线领域 , 该技术也可以用来跟踪磁场的波动 , 跟踪电子和化学时空无序 。
随着未来的X射线源将产生比目前更强数量级的相干X射线辐射 , 如柏林同步加速器BESSY III , 这一技术有望应用到更快的波动和更短的长度中 , 从而实现新突破 。
来源:Alessandro Ricci et al Measurement of Spin Dynamics in a Layered Nickelate Using X-Ray Photon Correlation Spectroscopy: Evidence for Intrinsic Destabilization of Incommensurate Stripes at Low Temperatures Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.057001
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