Uno studio SLAC/Stanford ha scoperto che una famiglia di superconduttori al nichel recentemente scoperta differisce in modo sorprendente da una famiglia imparentata, i cuprati. Entrambi sono disponibili in piani di ossido 2D (rosso, verde, e sfere grigie che rappresentano il rame, ioni nichel e ossigeno, rispettivamente) separati da strati di un materiale di terre rare (sfere d'oro). I cuprati sono intrinsecamente isolanti, e anche quando sono drogati per aggiungere elettroni a flusso libero (sfere blu), come mostrato qui, i loro elettroni raramente lasciano interagire con altri strati di materiale. Ma questi nichelati sono intrinsecamente metalli. Anche nello stato non drogato qui raffigurato, i loro elettroni si mescolano con gli elettroni degli strati di terre rare in un modo che crea uno stato metallico 3D. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
La scoperta lo scorso anno del primo materiale di ossido di nichel che mostra chiari segni di superconduttività ha scatenato una corsa da parte degli scienziati di tutto il mondo per saperne di più. La struttura cristallina del materiale è simile agli ossidi di rame, o cuprati, che detengono il record mondiale per la conduzione di elettricità senza perdite a temperature relativamente elevate e pressioni normali. Ma i suoi elettroni si comportano allo stesso modo?
Le risposte potrebbero aiutare a far progredire la sintesi di nuovi superconduttori non convenzionali e il loro utilizzo per la trasmissione di potenza, trasporto e altre applicazioni, e ha anche fatto luce su come funzionano i cuprati, che è ancora un mistero dopo oltre 30 anni di ricerca.
In un articolo pubblicato oggi in Materiali della natura , un team guidato da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University riportano la prima indagine dettagliata sulla struttura elettronica degli ossidi di nichel superconduttori, o nichelati. Gli scienziati hanno utilizzato due tecniche, scattering anelastico risonante di raggi X (RIXS) e spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS), per ottenere il primo quadro completo della struttura elettronica dei nichelati, fondamentalmente la disposizione e il comportamento dei loro elettroni, che determinano le proprietà di un materiale.
Sia i cuprati che i nichelati sono sottili, fogli bidimensionali che sono stratificati con altri elementi, come gli ioni delle terre rare. Questi fogli sottili diventano superconduttori quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura e la densità dei loro elettroni a flusso libero viene regolata in un processo noto come "doping".
I cuprati sono isolanti nei loro stati "terreni" predrogati, il che significa che i loro elettroni non sono mobili. Dopo il drogaggio gli elettroni possono muoversi liberamente ma sono per lo più confinati negli strati cuprati, raramente viaggiano attraverso gli strati intermedi di terre rare per raggiungere i loro vicini cuprati.
Ma nei nichelati, la squadra ha scoperto, Questo non è il caso. Il composto non drogato è un metallo con elettroni che scorrono liberamente. Per di più, gli strati intermedi effettivamente contribuiscono con elettroni ai fogli di nichel, creando uno stato metallico tridimensionale che è molto diverso da quello che si vede nei cuprati.
Questo è un tipo completamente nuovo di stato fondamentale per gli ossidi di metalli di transizione come cuprati e nichelati, hanno detto i ricercatori. Apre nuove direzioni per esperimenti e studi teorici su come nasce la superconduttività e come può essere ottimizzata in questo sistema e possibilmente in altri composti.
