Los electrones se encuentran repulsivos entre sí. Nada personal, es solo que sus cargas negativas se repelen entre sí. Así que lograr que se emparejen y viajen juntos, como lo hacen con los materiales superconductores, requiere un pequeño empujón.

En los superconductores de la vieja escuela, que se descubrieron en 1911 y conducen la corriente eléctrica sin resistencia, pero solo a temperaturas extremadamente frías, el empujón proviene de las vibraciones en la red atómica del material.

Pero en los superconductores "no convencionales" más nuevos, que son especialmente emocionantes debido a su potencial para operar cerca de la temperatura ambiente para cosas como la transmisión de energía sin pérdida, nadie sabe con certeza cuál es el empujón, aunque los investigadores creen que podría involucrar rayas. de carga eléctrica, ondas de giros de electrones inestables que crean excitaciones magnéticas, o alguna combinación de cosas.

Con la esperanza de aprender más al observar el problema desde un ángulo ligeramente diferente, los investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía sintetizaron otra familia de superconductores no convencionales:los óxidos de níquel o niquelatos. Desde entonces, han pasado tres años investigando las propiedades de los niquelados y comparándolos con uno de los superconductores no convencionales más famosos, los óxidos de cobre o cupratos.

Y en un artículo publicado en Nature Physics hoy, el equipo informó una diferencia significativa:a diferencia de los cupratos, los campos magnéticos en los niquelatos siempre están activos.

Magnetismo:¿amigo o enemigo?

Los niquelados, dijeron los científicos, son intrínsecamente magnéticos, como si cada átomo de níquel estuviera agarrando un pequeño imán. Esto es cierto tanto si el niquelato se encuentra en su estado normal o no superconductor o en un estado superconductor en el que los electrones se han emparejado y han formado una especie de sopa cuántica que puede albergar fases entrelazadas de materia cuántica. Los cupratos, por otro lado, no son magnéticos en su estado superconductor.

"Este estudio analizó las propiedades fundamentales de los niquelatos en comparación con los cupratos, y lo que eso puede decirnos sobre los superconductores no convencionales en general", dijo Jennifer Fowlie, investigadora postdoctoral en el Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) de SLAC, quien dirigió el experimentos.

Algunos investigadores piensan que el magnetismo y la superconductividad compiten entre sí en este tipo de sistema, dijo; otros piensan que no puedes tener superconductividad a menos que el magnetismo esté cerca.

"Si bien nuestros resultados no resuelven esa pregunta, sí resaltan dónde probablemente se debería hacer más trabajo", dijo Fowlie. "Y marcan la primera vez que se examina el magnetismo tanto en el estado superconductor como en el normal de los niquelatos".

Harold Hwang, profesor de SLAC y Stanford y director de SIMES, dijo:"Esta es otra pieza importante del rompecabezas que la comunidad de investigación está armando mientras trabajamos para enmarcar las propiedades y los fenómenos en el corazón de estos interesantes materiales".

Entra el muón

Pocas cosas son fáciles en este campo de investigación, y estudiar los niquelados ha sido más difícil que la mayoría.

Si bien los teóricos predijeron hace más de 20 años que su similitud química con los cupratos hacía probable que pudieran albergar superconductividad, los niquelatos son tan difíciles de fabricar que llevó años intentarlo antes de que el equipo de SLAC y Stanford tuviera éxito.

Incluso entonces, solo pudieron hacer películas delgadas del material, no los trozos más gruesos necesarios para explorar sus propiedades con técnicas comunes. Varios grupos de investigación de todo el mundo han estado trabajando en formas más fáciles de sintetizar niquelatos en cualquier forma, dijo Hwang.

Así que el equipo de investigación recurrió a un método más exótico, llamado rotación/relajación de espín de muones de baja energía, que puede medir las propiedades magnéticas de películas delgadas y está disponible solo en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza.

Los muones son partículas cargadas fundamentales que son similares a los electrones, pero 207 veces más masivas. Se quedan por solo 2,2 millonésimas de segundo antes de descomponerse. Los muones con carga positiva, que a menudo se prefieren para experimentos como estos, se descomponen en un positrón, un neutrino y un antineutrino. Al igual que sus primos electrónicos, giran como peonzas y cambian la dirección de su giro en respuesta a los campos magnéticos. Pero pueden "sentir" esos campos solo en su entorno inmediato, hasta aproximadamente un nanómetro, o una mil millonésima parte de un metro, de distancia.

En PSI, los científicos usan un haz de muones para incrustar las pequeñas partículas en el material que quieren estudiar. Cuando los muones se desintegran, los positrones que producen salen volando en la dirección en que gira el muón. Al rastrear los positrones hasta sus orígenes, los investigadores pueden ver en qué dirección apuntaban los muones cuando desaparecieron y, por lo tanto, determinar las propiedades magnéticas generales del material.

Encontrar una solución alternativa

El equipo de SLAC solicitó hacer experimentos con el sistema PSI en 2020, pero luego la pandemia hizo imposible viajar dentro o fuera de Suiza. Afortunadamente, Fowlie era un posdoctorado en la Universidad de Ginebra en ese momento y ya planeaba venir a SLAC para trabajar en el grupo de Hwang. Así que comenzó la primera ronda de experimentos en Suiza con un equipo dirigido por Andreas Suter, científico sénior de PSI y experto en extraer información sobre superconductividad y magnetismo a partir de datos de desintegración de muones.

Después de llegar a SLAC en mayo de 2021, Fowlie comenzó de inmediato a fabricar varios tipos de compuestos de niquelato que el equipo quería probar en su segunda ronda de experimentos. Cuando terminaron las restricciones de viaje, el equipo finalmente pudo regresar a Suiza para terminar el estudio.

La configuración experimental única en PSI permite a los científicos incrustar muones a profundidades precisas en los materiales de niquelado. A partir de esto, pudieron determinar qué estaba pasando en cada capa superfina de varios compuestos de niquelado con composiciones químicas ligeramente diferentes. Descubrieron que solo las capas que contenían átomos de níquel eran magnéticas.

El interés en los niquelados es muy alto en todo el mundo, dijo Hwang. Media docena de grupos de investigación han publicado sus propias formas de sintetizar niquelatos y están trabajando para mejorar la calidad de las muestras que estudian, y una gran cantidad de teóricos están tratando de encontrar ideas para guiar la investigación en direcciones productivas.

"Estamos tratando de hacer lo que podemos con los recursos que tenemos como comunidad de investigación", dijo, "pero aún hay mucho más que podemos aprender y hacer". + Explora más

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