Christopher Parzyck aveva fatto tutto bene. Parzyck, un ricercatore post-dottorato, aveva portato i suoi campioni di nichel, una famiglia di superconduttori appena scoperta, su una linea di luce di sincrotrone per esperimenti di diffusione dei raggi X. Stava misurando i suoi campioni, che aveva sintetizzato con un nuovo metodo, nella speranza di rilevare la sospetta presenza di "ordinamento di carica", un fenomeno in cui gli elettroni si auto-organizzano in schemi periodici. Il fenomeno è stato collegato alla superconduttività ad alta temperatura.

Ma nei suoi campioni non c'era alcun ordine di addebito significativo. Nessuno.

"È tornato e ha detto:'I campioni migliori non lo hanno dimostrato'", ha detto Kyle Shen, professore di scienze fisiche James A. Weeks al College of Arts and Sciences, che ha supervisionato il progetto. "Eravamo tipo, 'Oh, è davvero strano. Non lo capisco.'"

A volte gli scienziati sono così perplessi che non hanno altra scelta che mettere da parte le loro ipotesi, rimboccarsi le maniche e indossare il cappello da detective. Dopo alcune indagini approfondite, Parzyck, Shen e i loro collaboratori si sono resi conto di aver fatto tutto bene.

Secondo i risultati pubblicati il ​​26 gennaio su Nature Materials , il nuovo metodo di sintesi di Parzyck produsse nichel così puri da essere privi dei difetti che avevano contaminato precedenti studi sui nichel. L'ordine di addebito non era mai esistito. Stavano inseguendo un fantasma.

"Rapporti precedenti dicevano di aver visto questo ordine di addebito, ma c'erano tutte queste incoerenze", ha detto Shen. "Chris ha sviluppato un modo più controllato di produrre questi materiali che limita efficacemente il numero di difetti. Gli atomi di ossigeno in eccesso si mascheravano da una firma dell'ordine di carica."

Negli ultimi anni, i nichelati sono stati oggetto di notevole interesse perché sono nuovi cugini stretti dei ben noti "cuprati", una famiglia di superconduttori a base di ossido di rame che possono avere temperature di transizione elevate, fino a 100 Kelvin, a quel punto la resistenza elettrica svanisce, mentre per i superconduttori convenzionali, come il piombo o il niobio, le loro transizioni sono inferiori a 10 Kelvin. I superconduttori ad alta temperatura sono molto più facili da raffreddare e quindi sono molto più promettenti per potenziali applicazioni future.

Da quando i cuprati furono scoperti per la prima volta alla fine degli anni '80, gli scienziati hanno cercato famiglie di superconduttori simili che potessero individuare le qualità chiave che consentono la superconduttività ad alta temperatura.

"Un posto ovvio in cui guardare è il nichel, perché il nichel è proprio accanto al rame nella tavola periodica", ha detto Shen. "Così la gente pensava che forse avremmo potuto fare qualche magia di sintesi dei materiali e creare composti contenenti nichel una sorta di cuprati. Quell'idea esisteva 30 anni fa. Il motivo per cui ci è voluto così tanto tempo per realizzarla è che si è scoperto che i superconduttori al nichel sono davvero difficili da realizzare. "

Altri ricercatori avevano sintetizzato i nichelati – che sono composti da nichel, ossigeno e un elemento delle terre rare – coltivando prima un materiale “precursore” e poi esponendo quel materiale a una fonte di idrogeno e riscaldandolo all’interno di un tubo sigillato. Nel corso di una giornata circa, l'idrogeno estrae circa un terzo delle molecole di ossigeno del materiale, cosa che Shen ha paragonato alla rimozione dei blocchi in una partita a Jenga.

"Sintetizzare questi materiali è un po' un incubo", ha detto.

Parzyck e Shen hanno ideato una tecnica alternativa in cui l'ossigeno viene rimosso da un fascio di idrogeno atomico, un processo comunemente utilizzato per pulire le superfici dei semiconduttori, ma non era mai stato utilizzato per la sintesi dei materiali. La riduzione dell’idrogeno atomico offre ai ricercatori un maggiore controllo indipendente sulla quantità di idrogeno applicato, oltre a variabili come tempo e pressione. Il processo può essere completato in pochi minuti, anziché in ore o in un giorno.

"Lo sviluppo della tecnica di riduzione è stato un processo lungo e impegnativo in sé e per sé", ha affermato Parzyck. "Quando ho iniziato, ho provato ad applicare condizioni simili a quelle utilizzate nella tradizionale riduzione con idruro di calcio (basse temperature per periodi di tempo relativamente lunghi), ma la qualità del campione era sempre bassa e non molto uniforme. È stato solo quando ho deciso di farlo ricominciare da capo e andare in una direzione completamente diversa, optando per temperature più elevate per il minor tempo possibile, e ho riscontrato davvero un certo successo."

Dopo che i loro esperimenti sul sincrotrone non riuscirono a mostrare il "picco di diffusione risonante" che avrebbe dovuto segnalare la presenza di un ordinamento di carica, i ricercatori iniziarono a variare la quantità di ossigeno che stavano eliminando.

"La vera svolta è arrivata quando abbiamo iniziato a misurare i campioni che avevamo appositamente preparato per contenere ossigeno in eccesso e abbiamo visto una risposta molto forte e chiara; poi abbiamo avuto una spiegazione alternativa praticabile per l'origine del picco e finalmente sapevamo che stavamo andando nella giusta direzione, " ha detto Parzyck.

Per confermare i loro sospetti, hanno collaborato con la defunta Lena Kourkoutis, M.S. '06, dottorato di ricerca '09, professore associato di fisica applicata e ingegneristica, David Muller, professore di ingegneria Samuel B. Eckert e il loro dottorando Lopa Bhatt, che hanno utilizzato la microscopia elettronica per verificare direttamente che tracce di ossigeno nei campioni stavano effettivamente causando la carica spuria -segnale di ordine.

Non solo il team ha identificato una differenza cruciale tra i superconduttori cuprato e nichelato; ora dispongono di un metodo più affidabile per coltivare campioni più puliti che possono potenzialmente essere utilizzati per una più ampia varietà di esperimenti, con un po' meno mistero.

Ulteriori informazioni: C. T. Parzyck et al, Assenza dell'ordine d'onda della densità di carica 3a0 nel NdNiO2 nichelato a strato infinito, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01797-0

Fornito dalla Cornell University