Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость. Чтобы понять, как это работает, нужно разобраться в магнитных повадках атомов никеля в исходном, несжатом состоянии.
Физики направили на монокристалл пучок нейтронов — частиц, которые чувствуют магнитные поля. Нейтроны отразились от образца и рассказали, как колышутся спины (крошечные магнитные стрелки) электронов. Оказалось, что колебания возникают только начиная с энергии примерно 5 мэВ — это как порог, ниже которого магнитная рябь замирает. Внутри слоя волны бегут по-разному: вдоль одного направления они жёсткие, а поперёк — заметно смягчаются, словно натяжение пружины меняется в зависимости от угла.
Самое удивительное обнаружилось между слоями. Колебания спинов показали чёткую периодичность с шагом в два слоя — прямое доказательство, что магнитные моменты соседних никелевых плоскостей связаны антиферромагнитно, то есть направлены противоположно. Это как два ряда танцоров, которые движутся в противофазе. Моделирование подтвердило: нужна сильная межслойная связь плюс конкурирующие взаимодействия внутри слоя, чтобы воспроизвести наблюдаемую картину.
Когда исследователи пересчитали сигнал в абсолютные единицы, выяснилась интригующая деталь. Размах спиновых волн у никелата составляет лишь четверть от того, что видят в купратах — другом классе высокотемпературных сверхпроводников на основе меди. Но местная магнитная восприимчивость при тех же энергиях оказалась заметно выше. Суммарный колеблющийся магнитный момент сравним с купратным. Это означает, что в никелатах прячутся сильные электронные корреляции, которые порождают интенсивные среднеэнергетические магнитные флуктуации — и именно они, вероятно, играют ключевую роль в будущей сверхпроводимости.
Энергия 5 мэВ примерно в сто миллиардов раз меньше, чем нужно, чтобы вскипятить чайник, но именно такие крошечные порции энергии управляют магнитным порядком в кристалле.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетные существа используют магнитные поля для общения — почти как спины в никелате обмениваются сигналами через слои.