Una ilustración muestra un paso clave en la creación de un nuevo tipo de material superconductor:al igual que tirar bloques de una torre en un juego de Jenga, Los científicos utilizaron la química para eliminar cuidadosamente una capa de átomos de oxígeno. Esto dio la vuelta al material en una nueva estructura atómica, un niquelato, que puede conducir electricidad con una eficiencia del 100%. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han fabricado el primer material de óxido de níquel que muestra signos claros de superconductividad:la capacidad de transmitir corriente eléctrica sin pérdidas.
También conocido como niquelato, es el primero de una nueva familia potencial de superconductores no convencionales que es muy similar a los óxidos de cobre, o cupratos, cuyo descubrimiento en 1986 generó esperanzas de que los superconductores algún día podrían funcionar a temperaturas cercanas a la habitación y revolucionar los dispositivos electrónicos, transmisión de energía y otras tecnologías. Esas similitudes hacen que los científicos se pregunten si los niquelatos también podrían superconducirse a temperaturas relativamente altas.
Al mismo tiempo, el nuevo material parece diferente de los cupratos en formas fundamentales, por ejemplo, puede que no contenga un tipo de magnetismo que tienen todos los cupratos superconductores, y esto podría anular las principales teorías sobre cómo funcionan estos superconductores no convencionales. Después de más de tres décadas de investigación, nadie lo ha precisado.
Los experimentos fueron dirigidos por Danfeng Li, investigador postdoctoral del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía en SLAC, y descrito hoy en Naturaleza .
“Este es un descubrimiento muy importante que nos obliga a repensar los detalles de la estructura electrónica y los posibles mecanismos de superconductividad en estos materiales, "dijo George Sawatzky, un profesor de física y química en la Universidad de Columbia Británica que no participó en el estudio, pero escribió un comentario que acompañó al artículo en Naturaleza . "Esto hará que muchas personas se apresuren a investigar esta nueva clase de materiales, y se realizarán todo tipo de trabajos experimentales y teóricos ".
Para crear un nuevo tipo de material superconductor, Los científicos de SLAC y Stanford primero hicieron una película delgada de un material común conocido como perovskita, izquierda; "dopado" con estroncio; y luego lo expuso a una sustancia química que arrancó una capa de átomos de oxígeno, muy parecido a quitar un palo de una torre de bloques de Jenga. Esto hizo que la película cambiara a una estructura atómica diferente conocida como niquelato, Derecha. Las pruebas demostraron que este niquelato puede conducir electricidad sin resistencia. Crédito:Danfeng Li / SLAC National Accelerator Laboratory y Stanford University
Un camino dificil
Desde que se descubrieron los superconductores de cuprato, Los científicos han soñado con fabricar materiales de óxido similares a base de níquel, que está justo al lado del cobre en la tabla periódica de los elementos.
Pero fabricar niquelatos con una estructura atómica propicia para la superconductividad resultó ser inesperadamente difícil.
"Hasta donde sabemos, el niquelato que estábamos tratando de hacer no es estable a las temperaturas muy altas, alrededor de 600 grados Celsius, donde estos materiales se cultivan normalmente, "Dijo Li." Así que necesitábamos comenzar con algo que podamos cultivar de manera estable a altas temperaturas y luego transformarlo a temperaturas más bajas en la forma que queríamos ".
Comenzó con una perovskita, un material definido por su singularidad, estructura atómica de doble pirámide, que contenía neodimio, níquel y oxígeno. Luego dopó la perovskita agregando estroncio; este es un proceso común que agrega sustancias químicas a un material para hacer que más electrones fluyan libremente.
Esto robó electrones de los átomos de níquel, dejando huecos "vacíos, "y los átomos de níquel no estaban contentos con eso, Dijo Li. El material ahora era inestable, dar el siguiente paso, hacer crecer una fina película sobre una superficie, realmente desafiante; tardó medio año en hacerlo funcionar.
'Química Jenga'
Una vez hecho eso, Li cortó la película en pequeños trozos, lo envolvió sin apretar en papel de aluminio y lo selló en un tubo de ensayo con una sustancia química que arrebató cuidadosamente una capa de sus átomos de oxígeno, muy parecido a quitar un palo de una torre tambaleante de bloques de Jenga. Esto dio la vuelta a la película en una estructura atómica completamente nueva:un niquelato dopado con estroncio.
"Cada uno de estos pasos se había demostrado antes, "Li dijo, "pero no en esta combinación".
Recuerda el momento exacto en el laboratorio, alrededor de las 2 a.m., cuando las pruebas indicaron que el niquelato dopado podría ser superconductor. Li estaba tan emocionado que se quedó despierto toda la noche, y por la mañana aceptó la reunión regular de su grupo de investigación para mostrarles lo que había encontrado. Pronto, muchos de los miembros del grupo se unieron a él en un esfuerzo permanente para mejorar y estudiar este material.
Pruebas adicionales revelarían que el niquelato era realmente superconductor en un rango de temperatura de 9 a 15 kelvins, increíblemente frío, pero un primer comienzo, con posibilidades de temperaturas más altas por delante.
Más trabajo por delante
La investigación sobre el nuevo material se encuentra en un "muy, etapa muy temprana, y hay mucho trabajo por delante, "advirtió Harold Hwang, un investigador del SIMES, profesor de SLAC y Stanford y autor principal del informe. "Acabamos de ver los primeros experimentos básicos, y ahora tenemos que hacer toda la batería de investigaciones que todavía están en curso con los cupratos ".
Entre otras cosas, él dijo, Los científicos querrán dopar el material de niquelato de varias maneras para ver cómo esto afecta su superconductividad en un rango de temperaturas. y determinar si otros niquelatos pueden convertirse en superconductores. Otros estudios explorarán la estructura magnética del material y su relación con la superconductividad.
