Desde el descubrimiento de 1986 de que los materiales de óxido de cobre, o cupratos, podría transportar corriente eléctrica sin pérdida a temperaturas inesperadamente altas, Los científicos han estado buscando otros superconductores no convencionales que pudieran operar aún más cerca de la temperatura ambiente. Esto permitiría una gran cantidad de aplicaciones cotidianas que podrían transformar la sociedad al hacer que la transmisión de energía sea más eficiente, por ejemplo.

Óxidos de níquel, o niquelatos, parecía un candidato prometedor. Están basados ​​en níquel, que se encuentra junto al cobre en la tabla periódica, y los dos elementos tienen algunas características comunes. No era descabellado pensar que la superconductividad sería uno de ellos.

Pero tomó años de intentarlo antes de que los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford finalmente crearan el primer niquelato que mostraba claros signos de superconductividad.

Ahora SLAC, Stanford, y los investigadores de Diamond Light Source han realizado las primeras mediciones de las excitaciones magnéticas que se propagan a través del nuevo material como ondas en un estanque. Los resultados revelan similitudes importantes y diferencias sutiles entre los niquelatos y los cupratos. Los científicos publicaron sus resultados en Ciencias hoy dia.

"Esto es emocionante, porque nos da un nuevo ángulo para explorar cómo funcionan los superconductores no convencionales, que sigue siendo una pregunta abierta después de más de 30 años de investigación, "dijo Haiyu Lu, un estudiante de posgrado de Stanford que realizó la mayor parte de la investigación con el investigador postdoctoral de Stanford Matteo Rossi y el científico del personal de SLAC Wei-Sheng Lee.

"Entre otras cosas, " él dijo, "queremos comprender la naturaleza de la relación entre los cupratos y los niquelatos:¿son solo vecinos, saludando con la mano y yendo por caminos separados, o más como primos que comparten rasgos familiares y formas de hacer las cosas ".

Los resultados de este estudio, él dijo, se suman a un creciente cuerpo de evidencia de que su relación es cercana.

Giros en un tablero de ajedrez

Los cupratos y niquelatos tienen estructuras similares, con sus átomos dispuestos en una retícula rígida. Ambos vienen delgados hojas bidimensionales que se superponen con otros elementos, como los iones de tierras raras. Estas láminas delgadas se vuelven superconductoras cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura y la densidad de sus electrones que fluyen libremente se ajusta en un proceso conocido como dopaje.

El primer niquelato superconductor se descubrió en 2019 en SLAC y Stanford. El año pasado, el mismo equipo de SLAC / Stanford que realizó este último experimento publicó el primer estudio detallado del comportamiento electrónico del niquelato. Ese estudio estableció que en el niquelato sin dopar, los electrones fluyen libremente en las capas de óxido de níquel, pero los electrones de las capas intermedias también aportan electrones al flujo. Esto crea un estado metálico 3D que es bastante diferente al que se ve en los cupratos, que son aislantes cuando se deshacen.

El magnetismo también es importante en la superconductividad. Es creado por los giros de los electrones de un material. Cuando todos están orientados en la misma dirección, ya sea hacia arriba o hacia abajo, el material es magnético en el sentido de que podría adherirse a la puerta de su frigorífico.

Cuprates, por otra parte, son antiferromagnéticos:sus espines de electrones forman un patrón de tablero de ajedrez, por lo que cada giro hacia abajo está rodeado de giros hacia arriba y viceversa. Los giros alternos se anulan entre sí, por tanto, el material en su conjunto no es magnético en el sentido ordinario.

¿Tendría el niquelato esas mismas características? Descubrir, los investigadores llevaron muestras al sincrotrón Diamond Light Source en el Reino Unido para su examen con dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS. En esta técnica, los científicos dispersan la luz de rayos X de una muestra de material. Esta inyección de energía crea excitaciones magnéticas, ondas que viajan a través del material y cambian aleatoriamente los giros de algunos de sus electrones. RIXS permite a los científicos medir excitaciones muy débiles que no se podrían observar de otra manera.

Creando nuevas recetas

"Lo que encontramos es bastante interesante, "Dijo Lee." Los datos muestran que el niquelato tiene el mismo tipo de interacción antiferromagnética que tienen los cupratos. También tiene una energía magnética similar, que refleja la fuerza de las interacciones entre espines vecinos que mantienen este orden magnético en su lugar. Esto implica que el mismo tipo de física es importante en ambos ".

Pero también hay diferencias, Rossi señaló. Las excitaciones magnéticas no se propagan tanto en los niquelatos, y morir más rápidamente. El dopaje también afecta a los dos materiales de manera diferente; los "agujeros" cargados positivamente que crea se concentran alrededor de los átomos de níquel en los niquelatos y alrededor de los átomos de oxígeno en los cupratos, y esto afecta cómo se comportan sus electrones.

A medida que este trabajo continúa, Rossi dijo, El equipo probará cómo el dopado del niquelato de diversas formas y el intercambio de diferentes elementos de tierras raras en las capas entre las láminas de óxido de níquel afectan la superconductividad del material, allanando el camino, ellos esperan, al descubrimiento de mejores superconductores.