Diagramma di fase elettronico e descrizione strutturale dei nichelati stratificati. A:Diagramma di fase schematico per le fasi elettroniche dei cuprati (in alto) e dei nichelati (in basso). B:Strutture cristalline dei nichelati a strato quintuplo nella fase Nd6Ni5O16 Ruddlesden-Popper (a sinistra) e nella fase planare ridotta di Nd6Ni5O12 (a destra), rappresentate alla stessa scala. Credito:Botana et al.
Lo studio della superconduttività è disseminato di delusioni, vicoli ciechi e scoperte fortuite, secondo Antia Botana, professore di fisica all'Arizona State University.
"Come teorici, generalmente non riusciamo a prevedere nuovi superconduttori", ha detto.
Tuttavia, nel 2021, ha vissuto il momento clou della sua prima carriera. Lavorando con la sperimentatrice Julia Mundy all'Università di Harvard, ha scoperto un nuovo materiale superconduttore:un nichelato a quintuplo strato. Hanno riportato le loro scoperte in Nature Materials a settembre 2021.
"È stato uno dei momenti più belli della mia vita", ha ricordato Botana. "Stavo tornando dalla Spagna e ho ricevuto un messaggio dalla mia collaboratrice Julia Mundy durante la mia sosta. Quando ho visto la resistività scendere a zero, non c'è niente di meglio".
Botana è stata scelta come Sloan Research Fellow 2022. La sua ricerca è supportata da un premio CAREER della National Science Foundation (NSF).
"Il prof. Botana è uno dei teorici più influenti nel campo della superconduttività non convenzionale, in particolare nei nichelati stratificati che hanno ricevuto un'enorme attenzione dai materiali e dalle comunità di fisica della materia condensata", ha affermato Serdar Ogut, direttore del programma presso la Divisione di ricerca sui materiali presso la Fondazione Nazionale delle Scienze. "Mi aspetto che i suoi studi teorici pionieristici, in collaborazione con i principali sperimentatori negli Stati Uniti, continueranno a spingere i confini, portare alla scoperta di nuovi materiali superconduttori e scoprire meccanismi fondamentali che potrebbero un giorno aprire la strada alla superconduttività a temperatura ambiente. "
La superconduttività è un fenomeno che si verifica quando gli elettroni formano coppie anziché viaggiare in isolamento, respingendo tutto il magnetismo e consentendo agli elettroni di viaggiare senza perdere energia. Lo sviluppo di superconduttori a temperatura ambiente consentirebbe una trasmissione di elettricità senza perdite e computer quantistici più veloci ed economici. Lo studio di questi materiali è il dominio della teoria della materia condensata.
"Cerchiamo di capire quelli che vengono chiamati materiali quantistici, materiali in cui tutto ciò che abbiamo imparato nei nostri studi universitari cade a pezzi e nessuno capisce perché fanno le cose divertenti che fanno", ha scherzato Botana.
Ha iniziato a studiare i nichelati, in gran parte, per comprendere meglio i cuprati, superconduttori a base di ossido di rame scoperti per la prima volta nel 1986. Trent'anni dopo, il meccanismo che produce la superconduttività in questi materiali è ancora fortemente contestato.
Botana affronta il problema osservando materiali che sembrano cuprati. "Rame e nichel sono uno accanto all'altro sulla tavola periodica", ha detto. "Questa era una cosa ovvia da fare, quindi le persone avevano guardato i nichelati per molto tempo senza successo".
Ma poi, nel 2019, un team di Stanford ha scoperto la superconduttività in un nichelato, sebbene fosse stato "dopato" o alterato chimicamente per migliorarne le caratteristiche elettroniche. "Il materiale che hanno trovato nel 2019 fa parte di una famiglia più ampia, ed è quello che vogliamo, perché ci consente di fare confronti con i cuprati in un modo migliore", ha detto.
La scoperta di Botana nel 2021 è stata costruita su quelle fondamenta, utilizzando una forma di nichelato non drogato con una struttura a strati unica, quadrata-planare. Ha deciso di indagare su questa specifica forma di nichelato, una terra rara, a strati quintuplo, nichelato quadrato-planare, sulla base dell'intuizione.
"Avendo giocato con molti materiali diversi per anni, è il tipo di intuizione che sviluppano le persone che studiano la struttura elettronica", ha detto. "L'ho visto nel corso degli anni con i miei mentori".
L'identificazione di un'altra forma di nichelato superconduttore consente ai ricercatori di individuare somiglianze e differenze tra nichelati e tra nichelati e cuprati. Finora, più nichelati vengono studiati, più assomigliano ai cuprati.
"Il diagramma di fase sembra abbastanza simile. Il meccanismo di accoppiamento degli elettroni sembra essere lo stesso", dice Botana, "ma questa è una domanda ancora da risolvere".
I superconduttori convenzionali mostrano l'accoppiamento dell'onda s:gli elettroni possono accoppiarsi in qualsiasi direzione e possono sedersi uno sopra l'altro, quindi l'onda è una sfera. I nichelati, d'altra parte, probabilmente mostrano l'accoppiamento dell'onda d, il che significa che l'onda quantistica simile a una nuvola che descrive gli elettroni accoppiati ha la forma di un quadrifoglio. Un'altra differenza fondamentale è la forte sovrapposizione di ossigeno e metalli di transizione in questi materiali. I cuprati mostrano un grande "super-scambio":il materiale scambia elettroni negli atomi di rame attraverso un percorso che contiene ossigeno, piuttosto che direttamente.
"Pensiamo che possa essere uno dei fattori che governa la superconduttività e causa la temperatura critica più bassa dei nichelati", ha affermato. "Possiamo cercare modi per ottimizzare quella caratteristica".
Botana e i colleghi Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett hanno descritto alcune di queste differenze in un articolo di revisione per Frontiers in Physics nel febbraio 2022.
Ricerca delle cause profonde della superconduttività
Scrivendo in Revisione fisica X nel marzo 2022, Botana e collaboratori del Brookhaven National Laboratory e degli Argonne National Labs hanno approfondito il ruolo degli stati di ossigeno nel nichelato a bassa valenza La4 Ni3 O8 . Utilizzando metodi computazionali e sperimentali, hanno confrontato il materiale con un prototipo di cuprato con un riempimento di elettroni simile. Il lavoro era unico in quanto misurava direttamente l'energia degli stati ibridi nichel-ossigeno.
Hanno scoperto che, nonostante richieda più energia per trasferire le cariche, i nichelati conservano una notevole capacità di superscambio. Concludono che sia le "interazioni di Coulomb" (l'attrazione o repulsione di particelle o oggetti a causa della loro carica elettrica) che i processi di trasferimento di carica devono essere considerati quando si interpretano le proprietà dei nichelati.
I fenomeni quantistici che Botana studia si verificano alle scale più piccole conosciute e possono essere sondati solo obliquamente mediante esperimenti fisici (come nella Physical Review X carta). Botana utilizza simulazioni computazionali per fare previsioni, aiutare a interpretare gli esperimenti e dedurre il comportamento e la dinamica di materiali come il nichelato a strati infiniti.
La sua ricerca utilizza la teoria funzionale della densità, o DFT, un mezzo per risolvere computazionalmente l'equazione di Schrödinger che descrive la funzione d'onda di un sistema quanto-meccanico, nonché una nuova derivazione più precisa nota come teoria dinamica del campo medio che può trattare gli elettroni che sono fortemente correlati.
Per condurre la sua ricerca, Botana utilizza il supercomputer Stampede2 del Texas Advanced Computing Center (TACC), il secondo più veloce in qualsiasi università degli Stati Uniti, e le macchine dell'Arizona State University. Anche sui supercomputer più veloci del mondo, studiare i materiali quantistici non è una cosa semplice.
"Se vedo un problema con troppi atomi, dico:'Non posso studiarlo'", ha detto Botana. "Vent'anni fa, alcuni atomi potevano sembrare troppi." Ma supercomputer più potenti consentono ai fisici di studiare sistemi più grandi e complicati, come i nichelati, e di aggiungere strumenti, come la teoria dinamica dei campi medi, in grado di catturare meglio il comportamento quantistico.
Nonostante viva in un'età d'oro delle scoperte, il campo della fisica della materia condensata non ha ancora la reputazione che merita, dice Botana.
"Il tuo telefono o computer non sarebbe possibile senza la ricerca sulla fisica della materia condensata, dallo schermo, alla batteria, alla piccola fotocamera. È importante che il pubblico lo capisca anche se si tratta di ricerca fondamentale, e anche se i ricercatori non lo fanno Non so come verrà utilizzato in seguito, questo tipo di ricerca sui materiali è fondamentale". + Esplora ulteriormente
