El estudio de la superconductividad está plagado de decepciones, callejones sin salida y descubrimientos fortuitos, según Antia Botana, profesora de física en la Universidad Estatal de Arizona.

"Como teóricos, generalmente fallamos en la predicción de nuevos superconductores", dijo.

Sin embargo, en 2021, experimentó el punto culminante de su carrera inicial. Trabajando con la experimentalista Julia Mundy en la Universidad de Harvard, descubrió un nuevo material superconductor:un niquelato de cinco capas. Informaron de sus hallazgos en Nature Materials en septiembre de 2021.

"Fue uno de los mejores momentos de mi vida", recordó Botana. "Volaba de regreso de España y recibí un mensaje de mi colaboradora Julia Mundy durante mi escala. Cuando vi que la resistividad cayó a cero, no hay nada mejor que eso".

Botana fue elegido como becario de investigación Sloan 2022. Su investigación cuenta con el apoyo de un premio CAREER de la National Science Foundation (NSF).

"El Prof. Botana es uno de los teóricos más influyentes en el campo de la superconductividad no convencional, particularmente en niquelatos en capas que han recibido una gran atención de las comunidades de física de materiales y materia condensada", dijo Serdar Ogut, Director de Programa en la División de Investigación de Materiales en la Fundación Nacional de Ciencias. "Espero que sus estudios teóricos pioneros, en colaboración con experimentadores líderes en los EE. UU., continúen empujando los límites, den como resultado el descubrimiento de nuevos materiales superconductores y descubran mecanismos fundamentales que algún día podrían allanar el camino hacia la superconductividad a temperatura ambiente. "

La superconductividad es un fenómeno que ocurre cuando los electrones forman pares en lugar de viajar aislados, rechazando todo el magnetismo y permitiendo que los electrones viajen sin perder energía. El desarrollo de superconductores a temperatura ambiente permitiría una transmisión de electricidad sin pérdidas y computadoras cuánticas más rápidas y económicas. El estudio de estos materiales es el dominio de la teoría de la materia condensada.

"Tratamos de entender lo que se llama materiales cuánticos, materiales en los que todo lo clásico que aprendimos en nuestros estudios universitarios se desmorona y nadie entiende por qué hacen las cosas divertidas que hacen", bromeó Botana.

Comenzó a investigar los niquelatos, en gran parte, para comprender mejor los cupratos, superconductores a base de óxido de cobre descubiertos por primera vez en 1986. Treinta años después, el mecanismo que produce la superconductividad en estos materiales sigue siendo muy cuestionado.

Botana aborda el problema observando materiales que parecen cupratos. "El cobre y el níquel están uno al lado del otro en la tabla periódica", dijo. "Era algo obvio, por lo que la gente había estado buscando níquelatos durante mucho tiempo sin éxito".

Pero luego, en 2019, un equipo de Stanford descubrió la superconductividad en un niquelato, aunque uno que había sido "dopado" o alterado químicamente para mejorar sus características electrónicas. “El material que encontraron en 2019 es parte de una familia más grande, que es lo que queremos, porque nos permite hacer comparaciones con cupratos de una mejor manera”, dijo.

El descubrimiento de Botana en 2021 se basó en esa base, utilizando una forma de niquelado sin dopar con una estructura en capas única, cuadrada y plana. Decidió investigar esta forma específica de niquelato, un niquelato plano cuadrado de quíntuple capas de tierras raras, basándose en la intuición.

"Habiendo jugado con muchos materiales diferentes durante años, es el tipo de intuición que desarrollan las personas que estudian la estructura electrónica", dijo. "Lo he visto a lo largo de los años con mis mentores".

Identificar otra forma de niquelato superconductor permite a los investigadores descubrir similitudes y diferencias entre niquelatos y entre niquelatos y cupratos. Hasta ahora, cuantos más niquelatos se estudian, más se parecen a los cupratos.

"El diagrama de fase parece bastante similar. El mecanismo de emparejamiento de electrones parece ser el mismo", dice Botana, "pero esta es una cuestión que aún no se ha resuelto".

Los superconductores convencionales exhiben emparejamiento de ondas s:los electrones pueden emparejarse en cualquier dirección y pueden sentarse uno encima del otro, por lo que la onda es una esfera. Los niquelados, por otro lado, probablemente muestren emparejamiento de ondas d, lo que significa que la onda cuántica similar a una nube que describe los electrones emparejados tiene la forma de un trébol de cuatro hojas. Otra diferencia clave es la fuerza con la que se superponen el oxígeno y los metales de transición en estos materiales. Los cupratos exhiben un gran "superintercambio":el material intercambia electrones en átomos de cobre a través de una vía que contiene oxígeno, en lugar de hacerlo directamente.

"Creemos que ese puede ser uno de los factores que gobierna la superconductividad y causa la temperatura crítica más baja de los niquelados", dijo. "Podemos buscar formas de optimizar esa característica".

Botana y sus colegas Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett describieron algunas de estas diferencias en un artículo de revisión para Frontiers in Physics en febrero de 2022.

Buscando las causas fundamentales de la superconductividad

Escribir en Physical Review X en marzo de 2022, Botana y colaboradores del Laboratorio Nacional de Brookhaven y los Laboratorios Nacionales de Argonne profundizaron en el papel de los estados de oxígeno en el niquelato de baja valencia La₄ Ni₃ O₈ . Usando métodos computacionales y experimentales, compararon el material con un cuprato prototípico con un relleno de electrones similar. El trabajo fue único en el sentido de que midió directamente la energía de los estados hibridados de níquel-oxígeno.

Descubrieron que a pesar de requerir más energía para transferir cargas, los niquelados retuvieron una capacidad considerable para el superintercambio. Concluyen que tanto las "interacciones de Coulomb" (la atracción o repulsión de partículas u objetos debido a su carga eléctrica) como los procesos de transferencia de carga deben tenerse en cuenta al interpretar las propiedades de los niquelados.

Los fenómenos cuánticos que estudia Botana ocurren en las escalas más pequeñas conocidas y solo pueden probarse oblicuamente mediante experimentos físicos (como en el Physical Review X papel). Botana usa simulaciones computacionales para hacer predicciones, ayudar a interpretar experimentos y deducir el comportamiento y la dinámica de materiales como el niquelado de capa infinita.

Su investigación utiliza la Teoría del Funcional de la Densidad, o DFT, un medio para resolver computacionalmente la ecuación de Schrödinger que describe la función de onda de un sistema mecánico cuántico, así como una rama más nueva y precisa conocida como teoría del campo medio dinámico que puede tratar electrones que están fuertemente correlacionados.

Para realizar su investigación, Botana utiliza la supercomputadora Stampede2 del Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), la segunda más rápida de todas las universidades de los EE. UU., así como máquinas de la Universidad Estatal de Arizona. Incluso en las supercomputadoras más rápidas del mundo, estudiar materiales cuánticos no es un asunto sencillo.

"Si veo un problema con demasiados átomos, digo:'No puedo estudiar eso'", dijo Botana. "Hace veinte años, unos pocos átomos podrían haber parecido demasiado". Pero las supercomputadoras más poderosas están permitiendo a los físicos estudiar sistemas más grandes y complicados, como los niquelados, y agregar herramientas, como la teoría dinámica del campo medio, que pueden capturar mejor el comportamiento cuántico.

A pesar de vivir en una Edad de Oro de los Descubrimientos, el campo de la física de la materia condensada todavía no tiene la reputación que merece, dice Botana.

"Su teléfono o computadora no sería posible sin la investigación en física de la materia condensada, desde la pantalla hasta la batería y la pequeña cámara. Es importante que el público entienda que incluso si se trata de una investigación fundamental, e incluso si los investigadores no No sé cómo se usará más adelante, este tipo de investigación en materiales es fundamental". + Explora más

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