Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno realizzato il primo materiale di ossido di nichel che mostra chiari segni di superconduttività, la capacità di trasmettere corrente elettrica senza perdite.

Conosciuto anche come nichelato, è il primo di una potenziale nuova famiglia di superconduttori non convenzionali molto simili agli ossidi di rame, o cuprati, la cui scoperta nel 1986 ha sollevato la speranza che i superconduttori possano un giorno operare a temperatura ambiente e rivoluzionare i dispositivi elettronici, trasmissione di potenza e altre tecnologie. Queste somiglianze hanno portato gli scienziati a chiedersi se i nichelati possano anche essere superconduttori a temperature relativamente elevate.

Allo stesso tempo, il nuovo materiale sembra diverso dai cuprati in modi fondamentali, ad esempio, potrebbe non contenere un tipo di magnetismo che hanno tutti i cuprati superconduttori, e questo potrebbe ribaltare le teorie principali su come funzionano questi superconduttori non convenzionali. Dopo oltre tre decenni di ricerca, nessuno l'ha appuntato.

Gli esperimenti sono stati condotti da Danfeng Li, un ricercatore post-dottorato con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso SLAC, e descritto oggi in Natura .

"Si tratta di una scoperta molto importante che ci impone di ripensare ai dettagli della struttura elettronica e dei possibili meccanismi di superconduttività in questi materiali, " disse George Sawatzky, un professore di fisica e chimica presso l'Università della British Columbia che non è stato coinvolto nello studio, ma ha scritto un commento che ha accompagnato il documento in Natura . "Questo farà sì che un sacco di persone inizino a investigare su questa nuova classe di materiali, e si farà ogni sorta di lavoro sperimentale e teorico."

Un percorso difficile

Da quando sono stati scoperti i superconduttori cuprati, gli scienziati hanno sognato di realizzare materiali di ossido simili a base di nichel, che è proprio accanto al rame nella tavola periodica degli elementi.

Ma produrre nichelati con una struttura atomica che favorisce la superconduttività si è rivelato inaspettatamente difficile.

"Per quanto ne sappiamo, il nichelato che stavamo cercando di fare non è stabile alle temperature molto elevate - circa 600 gradi Celsius - dove questi materiali vengono normalmente coltivati, Li ha detto. "Quindi dovevamo iniziare con qualcosa che possiamo coltivare stabilmente ad alte temperature e poi trasformarlo a temperature più basse nella forma che volevamo".

Ha iniziato con una perovskite, un materiale definito dalla sua unicità, struttura atomica a doppia piramide, che conteneva neodimio, nichel e ossigeno. Poi ha drogato la perovskite con l'aggiunta di stronzio; questo è un processo comune che aggiunge sostanze chimiche a un materiale per far fluire liberamente più elettroni.

Questo ha rubato elettroni agli atomi di nichel, lasciando vacanti "buchi, " e gli atomi di nichel non ne erano contenti, Li ha detto. Il materiale era ora instabile, rendere il passo successivo - farne crescere un sottile film su una superficie - davvero impegnativo; gli ci è voluto mezzo anno per farlo funzionare.

"Chimica Jenga"

Una volta fatto ciò, Li ha tagliato il film in piccoli pezzi, lo avvolse in un foglio di alluminio e lo sigillò in una provetta con una sostanza chimica che strappava via uno strato dei suoi atomi di ossigeno, proprio come rimuovere un bastoncino da una traballante torre di blocchi Jenga. Questo ha trasformato il film in una struttura atomica completamente nuova:un nichelato drogato con stronzio.

"Ognuno di questi passaggi era stato dimostrato prima, "Li ha detto, "ma non in questa combinazione."

Ricorda il momento esatto in laboratorio, verso le 2 del mattino, quando i test hanno indicato che il nichelato drogato potrebbe essere superconduttore. Li era così eccitato che è rimasto sveglio tutta la notte, e al mattino ha cooptato la riunione regolare del suo gruppo di ricerca per mostrare loro ciò che aveva trovato. Prossimamente, molti dei membri del gruppo si sono uniti a lui in uno sforzo continuo per migliorare e studiare questo materiale.

Ulteriori test rivelerebbero che il nichelato era davvero superconduttore in un intervallo di temperatura da 9-15 kelvin, incredibilmente freddo, ma un primo inizio, con possibilità di temperature più elevate in vista.

Più lavoro avanti

La ricerca sul nuovo materiale è in un "molto, fase molto precoce, e c'è molto lavoro da fare, "ammonì Harold Hwang, un investigatore SIMES, professore allo SLAC ea Stanford e autore senior del rapporto. "Abbiamo appena visto i primi esperimenti di base, e ora dobbiamo fare tutta la serie di indagini che sono ancora in corso con i cuprates".

Tra l'altro, Egli ha detto, gli scienziati vorranno drogare il materiale nichelato in vari modi per vedere come questo influisce sulla sua superconduttività in una gamma di temperature, e determinare se altri nichelati possono diventare superconduttori. Altri studi esploreranno la struttura magnetica del materiale e la sua relazione con la superconduttività.