Un nuevo estudio muestra que los superconductores de óxido de níquel, que conducen la electricidad sin pérdidas a temperaturas más altas que los superconductores convencionales, contienen un tipo de materia cuántica llamada ondas de densidad de carga, o CDW, que puede acompañar a la superconductividad.

La presencia de CDW muestra que estos materiales recientemente descubiertos, también conocidos como niquelatos, son capaces de formar estados correlacionados:"sopas de electrones" que pueden albergar una variedad de fases cuánticas, incluida la superconductividad, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y La Universidad de Stanford informó en Nature Physics hoy.

"A diferencia de cualquier otro superconductor que conozcamos, los CDW aparecen incluso antes de dopar el material al reemplazar algunos átomos con otros para cambiar la cantidad de electrones que pueden moverse libremente", dijo Wei-Sheng Lee, científico e investigador principal de SLAC. con el Instituto Stanford para la Ciencia de los Materiales y la Energía (SIMES) que dirigió el estudio.

"Esto convierte a los niquelados en un nuevo sistema muy interesante:un nuevo campo de juego para estudiar superconductores no convencionales".

Niquelatos y cupratos

En los 35 años transcurridos desde que se descubrieron los primeros superconductores de "alta temperatura" no convencionales, los investigadores se han apresurado a encontrar uno que pueda transportar electricidad sin pérdida a temperatura cercana a la ambiente. Este sería un desarrollo revolucionario, que permitiría cosas como líneas eléctricas perfectamente eficientes, trenes de levitación magnética y una gran cantidad de otras tecnologías futuristas de ahorro de energía.

Pero aunque un vigoroso esfuerzo de investigación global ha precisado muchos aspectos de su naturaleza y comportamiento, la gente todavía no sabe exactamente cómo estos materiales se vuelven superconductores.

Así que el descubrimiento de los poderes superconductores del niquelato por parte de los investigadores de SIMES hace tres años fue emocionante porque les dio a los científicos una nueva perspectiva sobre el problema.

Desde entonces, los investigadores de SIMES han explorado la estructura electrónica de los niquelados, básicamente la forma en que se comportan sus electrones, y el comportamiento magnético. Estos estudios revelaron similitudes importantes y diferencias sutiles entre los niquelatos y los óxidos de cobre o cupratos:los primeros superconductores de alta temperatura jamás descubiertos y que aún tienen el récord mundial de operación a alta temperatura a presiones cotidianas.

Dado que el níquel y el cobre se encuentran uno al lado del otro en la tabla periódica de los elementos, los científicos no se sorprendieron al ver un parentesco allí y, de hecho, sospecharon que los niquelatos podrían ser buenos superconductores. Pero resultó ser extraordinariamente difícil construir materiales con las características adecuadas.

"Esto todavía es muy nuevo", dijo Lee. "La gente todavía lucha por sintetizar películas delgadas de estos materiales y comprender cómo las diferentes condiciones pueden afectar los mecanismos microscópicos subyacentes relacionados con la superconductividad".

Ondas de electrones congelados

Los CDW son solo uno de los extraños estados de la materia que se disputan la prominencia en los materiales superconductores. Puede pensar en ellos como un patrón de ondas de electrones congelados superpuestos a la estructura atómica del material, con una mayor densidad de electrones en los picos de las ondas y una menor densidad de electrones en los valles.

A medida que los investigadores ajustan la temperatura del material y el nivel de dopaje, surgen y desaparecen varios estados. Cuando las condiciones son las correctas, los electrones del material pierden sus identidades individuales y forman una sopa de electrones, y pueden surgir estados cuánticos como superconductividad y CDW.

Un estudio anterior realizado por el grupo SIMES no encontró CDW en niquelatos que contienen neodimio, un elemento de tierras raras. Pero en este último estudio, el equipo de SIMES creó y examinó un material de niquelado diferente en el que el neodimio se reemplazó con otro elemento de tierras raras, el lantano.

"La aparición de CDW puede ser muy sensible a cosas como la tensión o el desorden en su entorno, que se pueden ajustar mediante el uso de diferentes elementos de tierras raras", explicó Matteo Rossi, quien dirigió los experimentos mientras era investigador postdoctoral en SLAC.

El equipo llevó a cabo experimentos en tres fuentes de luz de rayos X:la fuente de luz Diamond en el Reino Unido, la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford en SLAC y la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. Cada una de estas instalaciones ofrecía herramientas especializadas para sondear y comprender el material a un nivel fundamental. Todos los experimentos tuvieron que llevarse a cabo de forma remota debido a las restricciones de la pandemia.

'Esencialmente autodopaje'

Los experimentos demostraron que este niquelato podría albergar tanto CDW como estados superconductores de la materia, y que estos estados estaban presentes incluso antes de que el material fuera dopado. Esto fue sorprendente, porque el dopaje suele ser una parte esencial para hacer que los materiales se vuelvan superconductores.

Lee dijo que el hecho de que este niquelato sea esencialmente autodopante lo hace significativamente diferente de los cupratos.

"Esto hace que los niquelados sean un nuevo sistema muy interesante para estudiar cómo estas fases cuánticas compiten o se entrelazan entre sí", dijo. "Y significa que muchas herramientas que se utilizan para estudiar otros superconductores no convencionales también pueden ser relevantes para este". + Explora más

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