Fin dalla scoperta del 1986 che i materiali a base di ossido di rame, o cuprati, potrebbe trasportare corrente elettrica senza perdite a temperature inaspettatamente elevate, gli scienziati sono alla ricerca di altri superconduttori non convenzionali che potrebbero funzionare ancora più vicino alla temperatura ambiente. Ciò consentirebbe una serie di applicazioni quotidiane che potrebbero trasformare la società rendendo più efficiente la trasmissione dell'energia, ad esempio.

ossidi di nichel, o nichelati, sembrava un candidato promettente. Sono a base di nichel, che si trova accanto al rame sulla tavola periodica, e i due elementi hanno alcune caratteristiche comuni. Non era irragionevole pensare che la superconduttività fosse una di queste.

Ma ci sono voluti anni di tentativi prima che gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University creassero finalmente il primo nichelato che mostrava chiari segni di superconduttività.

Ora SLAC, Stanford, e i ricercatori di Diamond Light Source hanno effettuato le prime misurazioni delle eccitazioni magnetiche che si diffondono attraverso il nuovo materiale come le increspature in uno stagno. I risultati rivelano sia importanti somiglianze che sottili differenze tra nichelati e cuprati. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati in Scienza oggi.

"Questo è eccitante, perché ci offre una nuova prospettiva per esplorare come funzionano i superconduttori non convenzionali, che è ancora una domanda aperta dopo oltre 30 anni di ricerca, " ha detto Haiyu Lu, uno studente laureato a Stanford che ha svolto la maggior parte della ricerca con il ricercatore postdottorato di Stanford Matteo Rossi e lo scienziato dello staff SLAC Wei-Sheng Lee.

"Tra l'altro, " Egli ha detto, "vogliamo capire la natura della relazione tra cuprati e nichelati:sono solo vicini, salutando con la mano e andando per le loro strade separate, o più come cugini che condividono tratti familiari e modi di fare le cose?"

I risultati di questo studio, Egli ha detto, aggiungere a un crescente corpo di prove che la loro relazione è stretta.

Giri in una scacchiera

Cuprati e nichelati hanno strutture simili, con i loro atomi disposti in un reticolo rigido. Entrambi vengono in sottile, 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 drogaggio.

Il primo nickelato superconduttore è stato scoperto nel 2019 a SLAC e Stanford. L'anno scorso, lo stesso team SLAC/Stanford che ha eseguito quest'ultimo esperimento ha pubblicato il primo studio dettagliato del comportamento elettronico del nichelato. Tale studio ha stabilito che nel nichelato non drogato, gli elettroni scorrono liberamente negli strati di ossido di nichel, ma anche gli elettroni degli strati intermedi contribuiscono con gli elettroni al flusso. Questo crea uno stato metallico 3D che è molto diverso da quello che si vede nei cuprati, che sono isolanti quando non drogati.

Il magnetismo è importante anche nella superconduttività. È creato dagli spin degli elettroni di un materiale. Quando sono tutti orientati nella stessa direzione, o su o giù, il materiale è magnetico nel senso che potrebbe attaccarsi alla porta del tuo frigorifero.

cuprati, d'altra parte, sono antiferromagnetici:i loro spin elettronici formano uno schema a scacchiera, quindi ogni giro in basso è circondato da giri in alto e viceversa. I giri alternati si annullano a vicenda, quindi il materiale nel suo insieme non è magnetico nel senso ordinario.

Il nichelato avrebbe le stesse caratteristiche? Per scoprirlo, i ricercatori ne hanno portato campioni al sincrotrone Diamond Light Source nel Regno Unito per l'esame con diffusione anelastica risonante di raggi X, o RIXS. In questa tecnica, gli scienziati diffondono la luce dei raggi X da un campione di materiale. Questa iniezione di energia crea eccitazioni magnetiche, increspature che viaggiano attraverso il materiale e ribaltano casualmente gli spin di alcuni dei suoi elettroni. RIXS consente agli scienziati di misurare eccitazioni molto deboli che non potrebbero essere osservate altrimenti.

Creare nuove ricette

"Quello che troviamo è piuttosto interessante, " Lee ha detto. "I dati mostrano che il nichelato ha lo stesso tipo di interazione antiferromagnetica che hanno i cuprati. Ha anche un'energia magnetica simile, che riflette la forza delle interazioni tra spin vicini che mantengono questo ordine magnetico in atto. Ciò implica che lo stesso tipo di fisica è importante in entrambi".

Ma ci sono anche differenze, ha notato Rossi. Le eccitazioni magnetiche non si diffondono così lontano nei nichelati, e si estingue più rapidamente. Anche il doping influenza in modo diverso i due materiali; i "buchi" carichi positivamente che crea sono concentrati attorno agli atomi di nichel nei nichelati e intorno agli atomi di ossigeno nei cuprati, e questo influenza il comportamento dei loro elettroni.

Mentre questo lavoro continua, Rossi ha detto, il team testerà come il drogaggio del nichelato in vari modi e lo scambio di diversi elementi delle terre rare negli strati tra i fogli di ossido di nichel influenzino la superconduttività del materiale, aprendo la strada, essi sperano, alla scoperta di migliori superconduttori.