Un'illustrazione mostra un tipo di materia quantistica chiamata onde di densità di carica, o CDW, sovrapposta alla struttura atomica di un superconduttore di ossido di nichel. (In basso) Il materiale di ossido di nichel, con atomi di nichel in arancione e atomi di ossigeno in rosso. (In alto a sinistra) I CDW appaiono come uno schema di increspature di elettroni congelati, con una densità di elettroni maggiore nei picchi delle increspature e una densità di elettroni inferiore negli avvallamenti. (In alto a destra) Quest'area rappresenta un altro stato quantistico, la superconduttività, che può emergere anche nell'ossido di nichel. La presenza di CDW mostra che gli ossidi di nichel sono in grado di formare stati correlati:"zuppe di elettroni" che possono ospitare una varietà di fasi quantistiche, inclusa la superconduttività. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Un nuovo studio mostra che i superconduttori di ossido di nichel, che conducono elettricità senza perdite a temperature più elevate rispetto ai superconduttori convenzionali, contengono un tipo di materia quantistica chiamata onde di densità di carica, o CDW, che può accompagnare la superconduttività.
La presenza di CDW mostra che questi materiali scoperti di recente, noti anche come nichelati, sono in grado di formare stati correlati:"zuppe di elettroni" che possono ospitare una varietà di fasi quantistiche, inclusa la superconduttività, ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e La Stanford University ha riportato in Fisica della natura oggi.
"A differenza di qualsiasi altro superconduttore di cui siamo a conoscenza, i CDW appaiono anche prima di drogare il materiale sostituendo alcuni atomi con altri per modificare il numero di elettroni che sono liberi di muoversi", ha affermato Wei-Sheng Lee, scienziato e ricercatore capo dello SLAC con lo Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) che ha condotto lo studio.
"Questo rende i nickelati un nuovo sistema molto interessante, un nuovo terreno di gioco per lo studio di superconduttori non convenzionali."
Nikelati e cuprati
Nei 35 anni trascorsi dalla scoperta dei primi superconduttori "ad alta temperatura" non convenzionali, i ricercatori si sono dati da fare per trovarne uno che potesse trasportare elettricità senza perdite vicino alla temperatura ambiente. Si tratterebbe di uno sviluppo rivoluzionario, che consente cose come linee elettriche perfettamente efficienti, treni a levitazione magnetica e una miriade di altre tecnologie futuristiche a risparmio energetico.
Ma mentre un vigoroso sforzo di ricerca globale ha individuato molti aspetti della loro natura e del loro comportamento, le persone non sanno ancora esattamente come questi materiali diventino superconduttori.
Quindi la scoperta dei poteri superconduttori del nichel da parte dei ricercatori SIMES tre anni fa è stata entusiasmante perché ha offerto agli scienziati una nuova prospettiva sul problema.
Da allora, i ricercatori SIMES hanno esplorato la struttura elettronica dei nichelati, fondamentalmente il modo in cui si comportano i loro elettroni, e il comportamento magnetico. Questi studi hanno rivelato importanti somiglianze e sottili differenze tra i nichelati e gli ossidi di rame o cuprati, i primi superconduttori ad alta temperatura mai scoperti e tuttora detentori del record mondiale per il funzionamento ad alta temperatura a pressioni quotidiane.
Dal momento che nichel e rame si trovano uno accanto all'altro sulla tavola periodica degli elementi, gli scienziati non sono stati sorpresi di vedere una parentela lì, e in effetti avevano sospettato che i nichelati potessero essere buoni superconduttori. Ma si è rivelato straordinariamente difficile costruire materiali con le giuste caratteristiche.
"Questo è ancora molto nuovo", ha detto Lee. "Le persone stanno ancora lottando per sintetizzare film sottili di questi materiali e capire come condizioni diverse possono influenzare i meccanismi microscopici sottostanti legati alla superconduttività".
Questo grafico mostra cosa succede all'interno di un materiale di ossido di nichel quando gli scienziati ne modificano la temperatura e il livello di drogaggio, sostituendo alcuni atomi con altri per cambiare il numero di elettroni che possono muoversi. Quando le condizioni sono giuste, gli elettroni del materiale perdono la loro identità individuale e formano una zuppa di elettroni, ed emergono stati quantistici come la superconduttività (blu) e le onde di densità di carica (CDW, in rosso). Credito:adattato da M. Rossi et al.
Ripple di elettroni congelati
I CDW sono solo uno degli strani stati della materia che si contendono importanza nei materiali superconduttori. Puoi pensarli come uno schema di increspature di elettroni congelati sovrapposti alla struttura atomica del materiale, con una densità di elettroni maggiore nei picchi delle increspature e una densità di elettroni inferiore negli avvallamenti.
Man mano che i ricercatori regolano la temperatura del materiale e il livello di drogaggio, emergono e svaniscono vari stati. Quando le condizioni sono giuste, gli elettroni del materiale perdono la loro identità individuale e formano una zuppa di elettroni, e possono emergere stati quantistici come superconduttività e CDW.
Uno studio precedente del gruppo SIMES non ha trovato CDW nei nichelati che contengono l'elemento delle terre rare neodimio. Ma in questo ultimo studio, il team SIMES ha creato ed esaminato un diverso materiale nichelato in cui il neodimio è stato sostituito con un altro elemento di terre rare, il lantanio.
"L'emergere di CDW può essere molto sensibile a cose come la tensione o il disordine nell'ambiente circostante, che può essere regolato utilizzando diversi elementi di terre rare", ha spiegato Matteo Rossi, che ha guidato gli esperimenti mentre era ricercatore post-dottorato presso lo SLAC.
Il team ha condotto esperimenti su tre sorgenti luminose a raggi X:la Diamond Light Source nel Regno Unito, la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource presso lo SLAC e la Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE. Ciascuna di queste strutture offriva strumenti specializzati per sondare e comprendere il materiale a un livello fondamentale. Tutti gli esperimenti dovevano essere effettuati a distanza a causa delle restrizioni pandemiche.
"Sostanzialmente auto-doping"
Gli esperimenti hanno dimostrato che questo nichelato può ospitare sia CDW che stati superconduttori della materia e che questi stati erano presenti anche prima che il materiale fosse drogato. Questo è stato sorprendente, perché il doping è solitamente una parte essenziale per ottenere materiali per la superconduzione.
Lee ha affermato che il fatto che questo nichelato sia essenzialmente auto-doping lo rende significativamente diverso dai cuprati.
"Questo rende i nichelati un nuovo sistema molto interessante per studiare come queste fasi quantistiche competono o si intrecciano tra loro", ha affermato. "E significa che molti strumenti utilizzati per studiare altri superconduttori non convenzionali potrebbero essere rilevanti anche per questo". + Esplora ulteriormente
