Un nuevo salto en la comprensión de los superconductores de óxido de níquel

La ilustración muestra un tipo de material cuántico denominado ondas de densidad de carga, o CDW, superpuesto a la estructura atómica de un superconductor de óxido de níquel. (Abajo) Material de óxido de níquel, átomos de níquel en naranja y átomos de oxígeno en rojo. (Arriba a la izquierda) Los CDW aparecen como un patrón de ondas de electrones congelados, con mayor densidad de electrones en la parte superior de las ondas y menor densidad de electrones en la parte inferior. (Arriba a la derecha) Esta región representa otro estado cuántico, la superconductividad, que también puede aparecer en el óxido de níquel. La presencia de CDW muestra que los óxidos de níquel pueden formar estados unidos, una “sopa de electrones” que puede albergar una variedad de fases cuánticas, incluida la superconductividad. Crédito: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC

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 recién descubiertos, también conocidos como níquel, son capaces de formar estados unidos, una “sopa de electrones” que puede 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 informaron en Física de la naturaleza Este Dia.

Wei-Sheng Li, científico de SLAC e investigador principal del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) que dirigió el estudio, dijo.

“Esto convierte al níquel en una nueva disciplina interesante: un nuevo campo de juego para el estudio de los superconductores no convencionales”.

níquel y cobre

En los 35 años transcurridos desde el descubrimiento de los primeros superconductores de alta temperatura no convencionales, los investigadores se han apresurado a encontrar un conductor que pueda transportar electricidad sin perderla a temperatura ambiente. Este sería un desarrollo revolucionario, que permitiría cosas como líneas eléctricas totalmente eficientes, trenes de levitación magnética y una gran cantidad de otras tecnologías futuras de eficiencia energética.

Pero si bien los sólidos esfuerzos de investigación global han identificado muchos aspectos de su naturaleza y comportamiento, la gente aún no sabe exactamente cómo estos materiales se vuelven superconductores.

Así que el descubrimiento de las fuerzas superconductoras del níquel 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 descubierto la estructura electrónica de las monedas de cinco centavos, la forma en que se comportan sus electrones, y el comportamiento magnético. Estos estudios revelaron similitudes y ligeras diferencias entre el níquel y el cobre o los óxidos de cobre: ​​los primeros superconductores de alta temperatura jamás descubiertos y que aún mantienen el récord mundial de funcionamiento 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 el parentesco allí y, de hecho, sospecharon que el níquel podría ser un buen superconductor. Pero resultó ser muy difícil construir materiales con las propiedades adecuadas.

“Esto todavía es muy nuevo”, me dijo. “La gente todavía está luchando para fabricar películas delgadas a partir de estos materiales y comprender cómo las diferentes condiciones pueden afectar los mecanismos microscópicos subyacentes relacionados con la superconductividad”.

Un nuevo salto en la comprensión de los superconductores de óxido de níquel

Este gráfico muestra lo que sucede dentro de un material de óxido de níquel cuando los científicos ajustan su temperatura y nivel de dopaje, reemplazando algunos átomos con otros para cambiar la cantidad de electrones que pueden moverse. Cuando las condiciones son las adecuadas, los electrones del material pierden sus identidades individuales y forman una sopa de electrones, y aparecen estados cuánticos como la superconductividad (en azul) y las ondas de densidad de carga (CDW, en rojo). Crédito: Citado de M. Rossi et al.

ondas de electrones congelados

Los CDW son solo uno de los extraños estados de la materia que compiten por 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 la parte superior de las ondas y una menor densidad de electrones en la parte inferior.

Cuando los investigadores ajustan la temperatura de la sustancia y el nivel de dopaje, aparecen y desaparecen diferentes estados. Cuando las condiciones son las adecuadas, los electrones de un material pierden sus identidades individuales y forman una sopa de electrones, y pueden surgir estados cuánticos como la superconductividad y los CDW.

Un estudio anterior de SIMES no encontró CDW en níquel que contengan el elemento raro neodimio. Pero en este último estudio, el equipo de SIMES creó y examinó un material de níquel diferente en el que el neodimio fue reemplazado por otro elemento de tierras raras, el lantano.

“La aparición de CDW puede ser muy sensible a cosas como el estrés o la turbulencia en su entorno, que se pueden ajustar utilizando varios elementos de tierras raras”, explicó Matteo Rossi, quien dirigió los experimentos como investigador postdoctoral en SLAC.

El equipo realizó experimentos en tres fuentes de luz de rayos X: la fuente de luz Diamond del Reino Unido, la fuente de luz radiante de sincrotrón de Stanford en SLAC y la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía. Cada una de estas instalaciones proporcionó herramientas especializadas para examinar y comprender los materiales a un nivel básico. Todos los ensayos tuvieron que realizarse de forma remota debido a restricciones epidemiológicas.

‘Básicamente autodopaje’

Los experimentos demostraron que estas monedas de cinco centavos pueden albergar CDW y estados superconductores del material, y que estos estados existían 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.

Me dijo que el hecho de que este níquel sea esencialmente un factor de autoactivación lo hace significativamente diferente de las cupritas.

“Esto hace que el níquel sea un nuevo sistema interesante para estudiar cómo estas fases cuánticas compiten o se entrelazan entre sí”, dijo. “Esto significa que muchas de las herramientas utilizadas para estudiar otros superconductores no convencionales también pueden ser relevantes para esto”.


El primer estudio del magnetismo del níquel encontró una fuerte correlación con los superconductores de cobre.


más información:
Wei-Sheng Lee, un estado de simetría de transición rota en una capa infinita de níquel, Física de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01660-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01660-6

Presentado por SLAC National Accelerator Laboratory

La frase: A New Leap in Understanding Nickel Oxide Superconductors (25 de julio de 2022) Recuperado el 26 de julio de 2022 de https://phys.org/news/2022-07-nickel-oxide-superconductors.html

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