Un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha identificato un composto di ossido di nichel come un materiale candidato non convenzionale ma promettente per la superconduttività ad alta temperatura.

Il team ha sintetizzato con successo singoli cristalli di un composto di nichelato metallico a tre strati, un'impresa che i ricercatori ritengono essere la prima.

"È pronto per la superconduttività in un modo che non si trova in altri ossidi di nichel. Siamo molto fiduciosi che tutto ciò che dobbiamo fare ora è trovare la giusta concentrazione di elettroni".

Questo composto di ossido di nichel non è superconduttore, disse John Mitchell, un Argonne Distinguished Fellow e direttore associato della divisione di scienza dei materiali del laboratorio, chi ha guidato il progetto, che combinava la crescita dei cristalli, spettroscopia a raggi X, e teoria computazionale. Ma, Ha aggiunto, "È pronto per la superconduttività in un modo che non si trova in altri ossidi di nichel. Siamo molto fiduciosi che tutto ciò che dobbiamo fare ora è trovare la giusta concentrazione di elettroni".

Mitchell e sette coautori hanno annunciato i loro risultati nel numero di questa settimana di Fisica della natura .

I materiali superconduttori sono tecnologicamente importanti perché l'elettricità li attraversa senza resistenza. I superconduttori ad alta temperatura potrebbero portare a più veloci, dispositivi elettronici più efficienti, griglie in grado di trasmettere energia senza perdita di energia e treni levitanti ultraveloci che cavalcano magneti senza attrito anziché binari.

Prima del 1986 sembrava possibile solo la superconduttività a bassa temperatura, ma i materiali che superconducono a basse temperature sono poco pratici perché devono prima essere raffreddati a centinaia di gradi sotto lo zero. Nel 1986, però, la scoperta della superconduttività ad alta temperatura nei composti di ossido di rame chiamati cuprati ha generato un nuovo potenziale tecnologico per il fenomeno.

Ma dopo tre decenni di ricerche successive, esattamente come funziona la superconduttività del cuprato rimane un problema determinante nel campo. Un approccio per risolvere questo problema è stato quello di studiare composti che hanno cristalli simili, strutture magnetiche ed elettroniche ai cuprati.

Gli ossidi a base di nichel - nichelati - sono stati a lungo considerati come potenziali analoghi del cuprato perché l'elemento si trova immediatamente adiacente al rame nella tavola periodica. Finora, Mitchell ha notato, "Questa è stata una ricerca senza successo." Come lui e i suoi coautori hanno notato nel loro Fisica della natura carta, "Nessuno di questi analoghi è stato superconduttore, e pochi sono anche metallici."

Il nichelato che il team di Argonne ha creato è un composto a tre strati quasi bidimensionale, il che significa che è costituito da tre strati di ossido di nichel separati da strati distanziatori di ossido di praseodimio.

"Così sembra più bidimensionale che tridimensionale, strutturalmente ed elettronicamente, " ha detto Mitchell.

Questo nichelato e un composto contenente lantanio anziché praseodimio condividono entrambi la struttura a tre strati quasi bidimensionale. Ma l'analogo del lantanio non è metallico e adotta una cosiddetta fase "a banda di carica", una proprietà elettronica che rende il materiale un isolante, l'opposto di un superconduttore.

"Per qualche ragione ancora sconosciuta, il sistema praseodimio non forma queste strisce, " Ha detto Mitchell. "Rimane metallico e quindi è sicuramente il candidato più probabile per la superconduttività".

Argonne è uno dei pochi laboratori al mondo in cui potrebbe essere creato il composto. Il forno a zona flottante ad immagine ottica ad alta pressione della Divisione Scienza dei materiali ha capacità speciali. Può raggiungere pressioni di 150 atmosfere (equivalenti alle pressioni di schiacciamento riscontrate a profondità oceaniche di quasi 5, 000 piedi) e temperature di circa 2, 000 gradi Celsius (più di 3, 600 gradi Fahrenheit), condizioni necessarie per far crescere i cristalli.

"Non sapevamo per certo di poter realizzare questi materiali, " ha detto il ricercatore postdottorato di Argonne Junjie Zhang, il primo autore dello studio. Ma in effetti, sono riusciti a far crescere i cristalli che misurano pochi millimetri di diametro (una piccola frazione di pollice).

Il team di ricerca ha verificato che la struttura elettronica del nichelato assomiglia a quella dei materiali cuprati effettuando misurazioni della spettroscopia di assorbimento dei raggi X presso l'Advanced Photon Source, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e eseguendo calcoli della teoria del funzionale della densità. Gli scienziati dei materiali utilizzano la teoria del funzionale della densità per studiare le proprietà elettroniche dei sistemi di materia condensata.

"Ho passato tutta la mia carriera a non creare superconduttori ad alta temperatura, " Ha scherzato Mitchell. Ma questo potrebbe cambiare nella fase successiva della ricerca del suo team:il tentativo di indurre la superconduttività nel loro materiale nichelato usando un processo chimico chiamato drogaggio elettronico, in cui le impurità vengono deliberatamente aggiunte a un materiale per influenzarne le proprietà.