“无限层”镍酸盐材料具有独特的晶体和电子结构，非常有潜力成为高温超导体。然而，对研究人员来说，研究这些材料仍然具有挑战性。目前，它们仅能以薄膜形式合成，并需加上保护层“封盖”，而这一保护层可能会改变镍酸盐层状系统的特性。

（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

据外媒报道，为了应对这一挑战，由美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）国家同步加速器光源II（NSLS-II）研究人员领导的团队在两条不同的光束线上使用互补X射线技术，以深入研究这些材料。

悠久历史中的新发现

超导材料允许电流在无电阻的情况下通过，因此没有功率损耗。当这些材料进入超导状态，持续的电流使它们能够抵抗磁场并悬浮在磁性材料上。

最初，超导性似乎只在极低温度（零下415华氏度）下出现。然而，在20世纪80年代中期，研究人员发现铜基氧化物材料或“铜酸盐”可以在零下297.7华氏度下表现出这些特性。研究人员希望设计能在更高、更实用的温度下实现超导性的材料，从而帮助消除电网能耗，并为其他新技术铺平道路，例如磁悬浮列车、更高效的磁共振成像（MRI）机器和电动汽车的高容量储能。

最近，作为类似于铜酸盐的新型高温超导体，镍基材料受到关注。其中，当在镍酸钕（Neodymium nickelate）中添加锶元素后，材料的超导性表现得尤为突出。这种化合物被称为“无限层镍酸盐”，因为其中的镍原子呈二维方格状排列，并在二维空间中无限重复，因此得名“无限层”。

目前，镍酸盐的超导性仅在非常薄的薄膜中观察到。这引发了人们的疑问，即超导特性是否取决于镍酸盐材料与其基底或盖层之间的界面作用。早期研究为这些材料的性质提供了相互矛盾的结果。

NSLS-II软非弹性X射线散射（SIX）光束线的研究人员Jonathan (Johnny) Pelliciari表示：“该系统对水和氧气很敏感。因此以往研究使用了非常薄的保护盖层，并将电子序现象归因于缺乏较厚的表面层。考虑到这些系统的敏感性，微小的变化或缺陷也会影响材料的性质。因此，我们希望进一步研究盖层对材料的实际影响，并确认其中是否存在误导性信号。”

为了回答这个问题，该团队在NSLS-II上采用两条光束线来研究带有和不带有钛酸锶盖层的高质量镍酸盐薄膜样品，以查看盖层是否对材料的磁性和电子特性有影响。磁性在该研究中十分重要，因为它们关系到材料的内在电子结构，而这与其超导性直接相关。

通过互补技术来完善解决方案

研究人员在NSLS-II的相干软X射线散射（CSX）光束线上进行共振弹性X射线散射（REXS），从而提供材料结构特性的详细视图。这部分实验揭示了该无限层镍酸盐薄膜的原子和电子结构。研究人员在SIX光束线上进行共振非弹性X射线散射（RIXS），然后测量X射线在与薄膜发生散射时的能量损失。通过分析电子和自旋的密度、运动和相互作用，研究人员获得了关于材料电子和磁性现象的宝贵见解。

结合这些观点，可以完整地了解材料的行为方式，特别是盖层带来的各种变化。该团队发现，无论是否施加盖层，该材料都存在磁性波动或“旋转激发”，这表明磁性是镍酸盐的固有品质。

在盖层样品中，由于界面效应，这些磁性特征仅略强一些，这可能是由于盖层与镍酸盐接触处的轻微结构调整、晶体缺陷或晶格无序而造成的。数据还证实，这些材料中的自旋激发在超导态中是稳定的，类似于在铜酸盐中的情况。

SIX博士后研究员Shiyu Fan表示：“RIXS对磁性非常敏感。这项研究最重要的发现可能是自旋波在有或没有盖层情况下的演变，这表明磁性和超导性是无限层镍酸盐材料的固有特性。”

CSX首席光束线研究人员Claudio Mazzoli表示：“超导铜酸盐中的氧化铜平面和镍酸盐中的氧化镍平面之间具有相似性。这促使研究人员花了25年的时间来寻找镍酸盐中的超导性。现在它终于被发现了，我们需要了解这两种情况中的差异和共同点，以及它们背后的物理原理，以控制这一有趣的现象，将其投入技术应用。”