El primer estudio del magnetismo de niquelato encuentra un fuerte parentesco con los superconductores de cuprato

Desde el descubrimiento en 1986 de que los materiales de óxido de cobre, o cupratos, podían transportar corriente eléctrica sin pérdidas a temperaturas sorprendentemente altas, los científicos han buscado otros superconductores no convencionales que pudieran operar aún más cerca de la temperatura ambiente. Esto permitiría una multitud de aplicaciones cotidianas que podrían transformar la sociedad al hacer más eficiente la transmisión de energía, por ejemplo.

Los óxidos de níquel, o niquelatos, parecían ser un candidato prometedor. Están hechos de níquel, que se encuentra junto al cobre en la tabla periódica, y los dos elementos tienen características comunes. No era descabellado pensar que la superconductividad sería uno de ellos.

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

Investigadores de SLAC, Stanford y Diamond Light Source realizaron las primeras mediciones de las excitaciones magnéticas que se propagaban 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 hoy sus hallazgos en Science.

«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 graduado de Stanford que realizó la mayor parte de la investigación con el investigador postdoctoral de Stanford Matteo Rossi y el científico de SLAC Wei-Sheng Lee.

“Entre otras cosas”, dijo, “queremos entender la naturaleza de la relación entre los cupratos y los niquelatos: ¿son solo vecinos, saludando y haciendo lo suyo, o más bien como primos? Que comparten rasgos familiares y formas de hacer las cosas. ? ¿cosas?»

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

Se convierte en un tablero de ajedrez

Los cupratos y niquelatos tienen estructuras similares, con sus átomos dispuestos en una celosía rígida. Ambos vienen como láminas delgadas bidimensionales superpuestas sobre otros elementos, como los iones de tierras raras. Estas láminas delgadas se vuelven superconductoras cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura y la densidad de sus electrones libres 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. Este estudio estableció que en el niquelato sin dopar, los electrones fluyen libremente en las capas de óxido de níquel, pero los electrones en las capas intermedias también contribuyen al flujo de electrones. Esto crea un estado metálico 3D bastante diferente al que vemos en los cupratos, que son aislantes cuando no están dopados.

El magnetismo también es importante en la superconductividad. Es creado por los giros de electrones en un material. Cuando todos miran de la misma manera, hacia arriba o hacia abajo, el material es magnético en el sentido de que podría adherirse a la puerta de su refrigerador.

Los cupratos, por otro lado, son antiferromagnéticos: sus giros electrónicos forman un patrón de tablero de ajedrez, de modo que cada giro descendente está rodeado por giros ascendentes y viceversa. Los giros alternos se cancelan entre sí, por lo que el material en su conjunto no es magnético en el sentido ordinario.

¿Tendría el niquelato las mismas características? Para averiguarlo, los investigadores tomaron muestras del sincrotrón Diamond Light Source en el Reino Unido para examinarlas con dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS. En esta técnica, los científicos esparcen rayos X sobre una muestra de material. Esta inyección de energía crea excitaciones magnéticas, ondas que atraviesan el material e invierten 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.

Creación de nuevas recetas

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

Pero también hay diferencias, señaló Rossi. Las excitaciones magnéticas se propagan menos en los niquelatos y se extinguen 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, lo que afecta el comportamiento de sus electrones.

A medida que este trabajo continúe, dijo Rossi, el equipo probará cómo el dopaje de niquelato de diversas maneras 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, esperan, para el descubrimiento de mejores superconductores. .