Dalla scoperta del 1986 che i materiali di ossido di rame, o cuprati, possono trasportare una corrente elettrica senza alcuna perdita a temperature inaspettatamente elevate, gli scienziati sono alla ricerca di altri superconduttori non convenzionali che possano funzionare ancora più vicino alla temperatura ambiente. Ciò consentirebbe una serie di applicazioni quotidiane che potrebbero trasformare la società rendendo più efficiente la trasmissione dell’energia, ad esempio.

Il nichel o gli ossidi di nichel sono apparsi come un candidato promettente. Si basa sul nichel che si trova accanto al rame nella tavola periodica e i due elementi hanno alcune proprietà comuni. Non era irragionevole pensare che la superconduttività fosse una di queste.

Ma ci sono voluti anni di tentativi prima che gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia e della Stanford University realizzassero finalmente il primo nichel che mostrava chiari segni di superconduttività.

Ora i ricercatori SLAC, Stanford e Diamond Light Source hanno effettuato le prime misurazioni dell’eccitazione magnetica che si propaga attraverso il nuovo materiale come le increspature in uno stagno. I risultati rivelano le somiglianze e le sottili differenze tra nichel e rame. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati in Scienza Oggi.

“Questo è eccitante, perché ci offre una nuova prospettiva per esplorare come funzionano i superconduttori non convenzionali, che rimane una domanda aperta dopo oltre 30 anni di ricerca”,

Hai Lu, uno studente laureato di Stanford che ha svolto la maggior parte della ricerca con il ricercatore post-dottorato della Stanford University Matteo Rossi e lo scienziato del team SLAC Wei Shengli.

“Tra l’altro”, ha detto, “vogliamo capire la natura del rapporto tra cuprates e nickels: sono solo vicini di casa, che si salutano e parlano a modo loro, o più come cugini che condividono tratti familiari e modi di facendo cose?”

I risultati di questo studio si aggiungono a un numero crescente di prove che la loro relazione è stretta, ha detto.

Cuprato e nichel hanno strutture simili, i loro atomi sono disposti in un reticolo solido. Entrambi sono disponibili in sottili fogli 2D stratificati con altri elementi, come gli ioni di terre rare. Questi fogli sottili diventano superconduttori quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura e la loro densità di elettroni liberi viene regolata in un processo noto come drogaggio.

Il primo nichel superconduttore è stato scoperto nel 2019 a SLAC e Stanford. L’anno scorso, lo stesso team SLAC/Stanford che ha eseguito quest’ultimo esperimento ha pubblicato il primo studio dettagliato sul comportamento elettronico del nichel. Questo studio ha dimostrato che nel nichel non coperto, gli elettroni fluiscono liberamente negli strati di ossido di nichel, ma che anche gli elettroni provenienti da strati sovrapposti contribuiscono con elettroni al flusso. Questo crea uno stato metallico 3D che è molto diverso da quello che vediamo negli ottoni, che sono isolanti quando privi di aperture.

Il magnetismo è importante anche nella superconduttività. Viene creato ruotando gli elettroni del materiale. Quando sono tutti puntati nella stessa direzione, in alto o in basso, il materiale è magnetico, il che significa che può aderire alla porta del frigorifero.

I cupriti, d’altra parte, sono antiferromagnetici: i loro spin elettronici formano uno schema a scacchiera, quindi ogni spin verso il basso è racchiuso in uno spin verso l’alto e viceversa. I cicli alternati si annullano a vicenda, quindi il materiale nel suo insieme non è magnetico nel senso ordinario.

Il nichel avrà le stesse proprietà? Per scoprirlo, i ricercatori lo hanno campionato al sincrotrone Diamond Light Source nel Regno Unito per l’esame utilizzando la diffusione anelastica dei raggi X, o RIXS. Con questa tecnica, gli scienziati diffondono la luce dei raggi X su un campione di materia. Questa iniezione di energia crea eccitazione magnetica – increspature che viaggiano attraverso il materiale e ribaltano casualmente lo spin di alcuni dei suoi elettroni. RIXS consente agli scienziati di misurare eccitazioni troppo deboli per essere osservate diversamente.

“Quello che abbiamo scoperto è molto interessante”, mi ha detto. “I dati mostrano che il nichel ha lo stesso tipo di interazione antimagnetica con il rame della cuprite. Ha anche un’energia magnetica simile, che riflette la forza delle interazioni tra gli spin vicini che mantengono in posizione questa disposizione magnetica. Ciò significa che lo stesso tipo di fisica è importante in entrambi”.

Rossi ha notato che ci sono anche differenze. L’eccitazione magnetica non si diffonde molto nel nichel e muore più rapidamente. Gli steroidi influenzano anche le due sostanze in modo diverso; E i “buchi” caricati positivamente che creano sono concentrati attorno agli atomi di nichel nel nichel e intorno agli atomi di ossigeno nei cuprati, e questo influenza il comportamento dei loro elettroni.

Mentre questo lavoro continua, ha detto Rossi, il team testerà come il drogaggio del nichel in modi diversi e lo scambio di diversi elementi di terre rare negli strati tra i fogli di ossido di nichel influenzi la superconduttività del materiale, aprendo la strada, sperano, alla scoperta di migliori superconduttori. . .

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Lu, Rossi, Lee e altri sei membri del team di ricerca sono ricercatori presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) dello SLAC, che ha ricevuto finanziamenti significativi dall’Office of Science del Dipartimento di Energia. Anche i ricercatori del Lorentz Institute for Theoretical Physics dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi hanno contribuito a questo lavoro.

Citazione: Haiyu Lu et al., Scienza, 9 luglio 2021 (10.1126 / science.abd7726)

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