Gli elettroni si trovano ripugnanti. Niente di personale, è solo che le loro cariche negative si respingono a vicenda. Quindi farli accoppiare e viaggiare insieme, come fanno con i materiali superconduttori, richiede una piccola spinta.

Nei superconduttori della vecchia scuola, scoperti nel 1911 e che conducono corrente elettrica senza resistenza, ma solo a temperature estremamente basse, la spinta deriva dalle vibrazioni nel reticolo atomico del materiale.

Ma nei nuovi superconduttori "non convenzionali" - che sono particolarmente eccitanti per via del loro potenziale di funzionare vicino alla temperatura ambiente per cose come la trasmissione di potenza a perdita zero - nessuno sa con certezza quale sia la spinta, anche se i ricercatori pensano che potrebbe implicare strisce di carica elettrica, onde di spin di elettroni flip-flop che creano eccitazioni magnetiche o una combinazione di cose.

Nella speranza di saperne di più osservando il problema da un'angolazione leggermente diversa, i ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia hanno sintetizzato un'altra famiglia di superconduttori non convenzionali:gli ossidi di nichel o nichelati. Da allora, hanno passato tre anni a studiare le proprietà dei nichelati ea confrontarli con uno dei più famosi superconduttori non convenzionali, gli ossidi di rame o cuprati.

E in un articolo pubblicato su Nature Physics oggi il team ha segnalato una differenza significativa:a differenza dei cuprati, i campi magnetici nei nickelati sono sempre attivi.

Magnetismo:amico o nemico?

I nichelati, hanno detto gli scienziati, sono intrinsecamente magnetici, come se ogni atomo di nichel stesse stringendo un minuscolo magnete. Questo è vero sia che il nichelato sia nel suo stato non superconduttore, o normale, o in uno stato superconduttore in cui gli elettroni si sono accoppiati e hanno formato una sorta di zuppa quantistica che può ospitare fasi intrecciate della materia quantistica. I cuprati, d'altra parte, non sono magnetici nel loro stato superconduttore.

"Questo studio ha esaminato le proprietà fondamentali dei nichelati rispetto ai cuprati e cosa possono dirci sui superconduttori non convenzionali in generale", ha affermato Jennifer Fowlie, ricercatrice post-dottorato presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) dello SLAC che ha guidato il esperimenti.

Alcuni ricercatori pensano che magnetismo e superconduttività competano tra loro in questo tipo di sistema, ha detto; altri pensano che non puoi avere la superconduttività a meno che il magnetismo non sia vicino.

"Anche se i nostri risultati non risolvono questa domanda, evidenziano dove probabilmente dovrebbe essere svolto più lavoro", ha detto Fowlie. "E segnano la prima volta che il magnetismo è stato esaminato sia nello stato superconduttore che nello stato normale dei nichelati."

Harold Hwang, professore allo SLAC e Stanford e direttore del SIMES, ha dichiarato:"Questo è un altro importante pezzo del puzzle che la comunità di ricerca sta mettendo insieme mentre lavoriamo per inquadrare le proprietà e i fenomeni al centro di questi materiali entusiasmanti".

Inserisci il muone

Poche cose sono facili in questo campo di ricerca e studiare i nichelati è stato più difficile della maggior parte.

Mentre i teorici avevano previsto più di 20 anni fa che la loro somiglianza chimica con i cuprati rendeva probabile che potessero ospitare la superconduttività, i nichelati sono così difficili da produrre che ci sono voluti anni di tentativi prima che il team SLAC e Stanford ci riuscisse.

Anche allora, potevano solo creare film sottili del materiale, non i pezzi più spessi necessari per esplorarne le proprietà con tecniche comuni. Un certo numero di gruppi di ricerca in tutto il mondo ha lavorato su modi più semplici per sintetizzare i nichelati in qualsiasi forma, ha affermato Hwang.

Quindi il team di ricerca si è rivolto a un metodo più esotico, chiamato rotazione/rilassamento dello spin del muone a bassa energia, in grado di misurare le proprietà magnetiche dei film sottili ed è disponibile solo presso il Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera.

I muoni sono particelle cariche fondamentali simili agli elettroni, ma 207 volte più massicce. Rimangono per soli 2,2 milionesimi di secondo prima di decadere. I muoni carichi positivamente, che sono spesso preferiti per esperimenti come questi, decadono in un positrone, un neutrino e un antineutrino. Come i loro cugini elettronici, ruotano come trottole e cambiano la direzione della loro rotazione in risposta ai campi magnetici. Ma possono "sentire" quei campi solo nelle loro immediate vicinanze, fino a circa un nanometro, o un miliardesimo di metro, di distanza.

Al PSI, gli scienziati usano un raggio di muoni per incorporare le piccole particelle nel materiale che vogliono studiare. Quando i muoni decadono, i positroni che producono volano via nella direzione in cui ruota il muone. Tracciando i positroni alle loro origini, i ricercatori possono vedere in che direzione stavano puntando i muoni quando sono scomparsi e quindi determinare le proprietà magnetiche complessive del materiale.

Trovare una soluzione alternativa

Il team SLAC ha chiesto di fare esperimenti con il sistema PSI nel 2020, ma poi la pandemia ha reso impossibile viaggiare dentro o fuori la Svizzera. Fortunatamente, Fowlie all'epoca era un post-dottorato all'Università di Ginevra e aveva già in programma di venire allo SLAC per lavorare nel gruppo di Hwang. Così ha iniziato il primo round di esperimenti in Svizzera con un team guidato da Andreas Suter, uno scienziato senior del PSI ed esperto nell'estrazione di informazioni sulla superconduttività e sul magnetismo dai dati di decadimento dei muoni.

Dopo essere arrivato allo SLAC nel maggio 2021, Fowlie ha immediatamente iniziato a produrre vari tipi di composti di nichel che il team voleva testare nel secondo round di esperimenti. Quando le restrizioni di viaggio sono terminate, il team è stato finalmente in grado di tornare in Svizzera per terminare lo studio.

L'esclusiva configurazione sperimentale del PSI consente agli scienziati di incorporare muoni a profondità precise nei materiali nichelati. Da questo, sono stati in grado di determinare cosa stava succedendo in ogni strato super sottile di vari composti di nichel con composizioni chimiche leggermente diverse. Hanno scoperto che solo gli strati che contenevano atomi di nichel erano magnetici.

L'interesse per i nichelati è molto alto in tutto il mondo, ha detto Hwang. Una mezza dozzina di gruppi di ricerca ha pubblicato i propri metodi per sintetizzare i nichelati e stanno lavorando per migliorare la qualità dei campioni che studiano, e un numero enorme di teorici sta cercando di fornire spunti per guidare la ricerca in direzioni produttive.

"Stiamo cercando di fare il possibile con le risorse che abbiamo come comunità di ricerca", ha detto, "ma c'è ancora molto di più che possiamo imparare e fare". + Esplora ulteriormente

Nuovo passo avanti nella comprensione dei superconduttori di ossido di nichel