Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha identificado un compuesto de óxido de níquel como un material candidato poco convencional pero prometedor para la superconductividad de alta temperatura.

El equipo sintetizó con éxito cristales individuales de un compuesto de niquelato de tres capas metálicas, una hazaña que los investigadores creen que es la primera vez.

"Está preparado para la superconductividad de una manera que no se encuentra en otros óxidos de níquel. Tenemos muchas esperanzas de que todo lo que tenemos que hacer ahora es encontrar la concentración de electrones correcta".

Este compuesto de óxido de níquel no se superconduce, dijo John Mitchell, un miembro distinguido de Argonne y director asociado de la División de Ciencia de Materiales del laboratorio, quien lideró el proyecto, que combinó el crecimiento de cristales, Espectroscopia de rayos X, y teoría computacional. Pero, él agregó, "Está preparado para la superconductividad de una manera que no se encuentra en otros óxidos de níquel. Tenemos muchas esperanzas de que todo lo que tenemos que hacer ahora es encontrar la concentración de electrones correcta".

Mitchell y siete coautores anunciaron sus resultados en la edición de esta semana de Física de la naturaleza .

Los materiales superconductores son tecnológicamente importantes porque la electricidad fluye a través de ellos sin resistencia. Los superconductores de alta temperatura podrían conducir a dispositivos electrónicos más eficientes, rejillas que pueden transmitir energía sin pérdida de energía y trenes de levitación ultrarrápidos que montan imanes sin fricción en lugar de rieles.

Solo la superconductividad a baja temperatura parecía posible antes de 1986, pero los materiales que se superconducen a bajas temperaturas no son prácticos porque primero deben enfriarse a cientos de grados bajo cero. En 1986, sin embargo, El descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura en compuestos de óxido de cobre llamados cupratos generó un nuevo potencial tecnológico para el fenómeno.

Pero después de tres décadas de investigación subsiguiente, Exactamente cómo funciona la superconductividad de cuprato sigue siendo un problema definitorio en el campo. Un enfoque para resolver este problema ha sido estudiar compuestos que tienen cristales similares, estructuras magnéticas y electrónicas a los cupratos.

Los óxidos a base de níquel, niquelatos, se han considerado durante mucho tiempo como posibles análogos del cuprato porque el elemento se encuentra inmediatamente adyacente al cobre en la tabla periódica. Hasta ahora, Mitchell señaló, "Esa ha sido una búsqueda sin éxito". Como él y sus coautores señalaron en su Física de la naturaleza papel, "Ninguno de estos análogos ha sido superconductor, y pocos son incluso metálicos ".

El niquelato que ha creado el equipo de Argonne es un compuesto de tres capas casi bidimensional, lo que significa que consta de tres capas de óxido de níquel que están separadas por capas espaciadoras de óxido de praseodimio.

"Por lo tanto, parece más bidimensional que tridimensional, estructural y electrónicamente, "Dijo Mitchell.

Este niquelato y un compuesto que contiene lantano en lugar de praseodimio comparten la estructura de tres capas casi bidimensional. Pero el análogo de lantano no es metálico y adopta una fase denominada "franja de carga", una propiedad electrónica que convierte al material en un aislante, lo contrario de un superconductor.

"Por alguna razón aún desconocida, el sistema de praseodimio no forma estas rayas, ", Dijo Mitchell." Sigue siendo metálico y, por lo tanto, es sin duda el candidato más probable para la superconductividad ".

Argonne es uno de los pocos laboratorios del mundo donde se podría crear el compuesto. El horno de zona flotante de imagen óptica de alta presión de la División de Ciencia de Materiales tiene capacidades especiales. Puede alcanzar presiones de 150 atmósferas (equivalente a las presiones de aplastamiento encontradas en profundidades oceánicas de casi 5, 000 pies) y temperaturas de aproximadamente 2, 000 grados Celsius (más de 3, 600 grados Fahrenheit), condiciones necesarias para hacer crecer los cristales.

"No sabíamos con certeza que podíamos fabricar estos materiales, "dijo el investigador postdoctoral de Argonne Junjie Zhang, el primer autor del estudio. Pero de hecho, lograron hacer crecer los cristales de unos pocos milímetros de diámetro (una pequeña fracción de pulgada).

El equipo de investigación verificó que la estructura electrónica del niquelato se asemeja a la de los materiales de cuprato tomando mediciones de espectroscopía de absorción de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzada. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y realizando cálculos de teoría funcional de densidad. Los científicos de materiales utilizan la teoría funcional de la densidad para investigar las propiedades electrónicas de los sistemas de materia condensada.

"He pasado toda mi carrera sin fabricar superconductores de alta temperatura, Mitchell bromeó. Pero eso podría cambiar en la siguiente fase de la investigación de su equipo:intentar inducir la superconductividad en su material de niquelato mediante un proceso químico llamado dopaje electrónico. en el que se agregan deliberadamente impurezas a un material para influir en sus propiedades.