Un nuevo salto en la comprensión de los superconductores de óxido de níquel
Un nuevo estudio demuestra que los superconductores de óxido de níquel, que conducen la electricidad sin pérdidas a temperaturas más elevadas que los superconductores convencionales, contienen un tipo de materia cuántica denominada ondas de densidad de carga, o CDW, que puede acompañar a la superconductividad.
Una ilustración muestra un tipo de materia cuántica denominada ondas de densidad de carga, u ondas CDW, superpuesta a la estructura atómica de un superconductor de óxido de níquel descubierto por investigadores de SLAC y Stanford hace tres años. (Abajo) El material de óxido de níquel, con los átomos de níquel en naranja y los átomos de oxígeno en rojo. (Arriba a la izquierda) Las ondas CDW aparecen como un patrón de ondas electrónicas congeladas, con una mayor densidad de electrones en los picos de las ondas y una menor densidad de electrones en los valles. (Arriba a la derecha) Esta zona representa otro estado cuántico, la superconductividad, que también puede surgir en el óxido de níquel. La presencia de CDWs demuestra que los óxidos de níquel son capaces de formar estados correlacionados, "sopas de electrones" que pueden albergar diversas fases cuánticas, incluida la superconductividad.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
La presencia de ondas de densidad de carga demuestra que estos materiales recientemente descubiertos, también conocidos como niquelatos, son capaces de formar estados correlacionados, es decir, "sopas de electrones" que pueden albergar diversas fases cuánticas, incluida la superconductividad, según informan hoy en Nature Physics investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford.
"A diferencia de cualquier otro superconductor que conozcamos, los CDW aparecen incluso antes de dopar el material sustituyendo unos átomos por otros para cambiar el número de electrones que se mueven libremente", afirma Wei-Sheng Lee, científico principal del SLAC e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) que dirigió el estudio.
"Esto hace que los níquelatos sean un nuevo sistema muy interesante, un nuevo campo de juego para estudiar los superconductores no convencionales".
Niquelatos y cupratos
En los 35 años transcurridos desde que se descubrieron los primeros superconductores no convencionales de "alta temperatura", los investigadores se han apresurado a encontrar uno que pueda transportar electricidad sin pérdidas a una temperatura cercana a la ambiente. Sería un avance revolucionario, que permitiría cosas como líneas eléctricas perfectamente eficientes, trenes de levitación magnética y una serie de otras tecnologías futuristas de ahorro de energía.
Sin embargo, a pesar de que un gran esfuerzo de investigación a nivel mundial ha permitido determinar muchos aspectos de su naturaleza y comportamiento, todavía no se sabe exactamente cómo se convierten estos materiales en superconductores.
Por eso, el descubrimiento de los poderes superconductores del níquelato por parte de los investigadores del SIMES hace tres años fue emocionante porque dio a los científicos una nueva perspectiva del problema.
Desde entonces, los investigadores del SIMES han explorado la estructura electrónica de los niquelatos -básicamente la forma en que se comportan sus electrones- y su comportamiento magnético. Estos estudios han puesto de manifiesto importantes similitudes y sutiles diferencias entre los niquelatos y los óxidos de cobre o cupratos, los primeros superconductores de alta temperatura descubiertos y que siguen ostentando el récord mundial de funcionamiento a alta temperatura a presiones cotidianas.
Dado que el níquel y el cobre están situados uno al lado del otro en la tabla periódica de los elementos, los científicos no se sorprendieron al ver un parentesco allí, y de hecho habían sospechado que los niquelatos podrían ser buenos superconductores. Pero resultó extraordinariamente difícil construir materiales con las características adecuadas.
"Esto es todavía muy nuevo", dijo Lee. "La gente sigue luchando por sintetizar películas finas de estos materiales y comprender cómo las diferentes condiciones pueden afectar a los mecanismos microscópicos subyacentes relacionados con la superconductividad".
Ondas de electrones congeladas
Los CDW son sólo uno de los extraños estados de la materia que se disputan el protagonismo en los materiales superconductores. Pueden considerarse como un patrón de ondas electrónicas congeladas superpuestas a la estructura atómica del material, con una mayor densidad de electrones en los picos de las ondas y una menor densidad de electrones en los valles.
A medida que los investigadores ajustan la temperatura y el nivel de dopaje del material, surgen y desaparecen varios estados. Cuando las condiciones son las adecuadas, los electrones del material pierden su identidad individual y forman una sopa de electrones, y pueden surgir estados cuánticos como la superconductividad y los CDW.
Un estudio anterior del grupo SIMES no encontró CDWs en niquelatos que contienen el elemento de tierras raras neodimio. Pero en este último estudio, el equipo del SIMES creó y examinó un material de níquelato diferente en el que se sustituyó el neodimio por otro elemento de tierras raras, el lantano.
"La aparición de los CDW puede ser muy sensible a cosas como la tensión o el desorden en su entorno, que puede ajustarse utilizando diferentes elementos de tierras raras", explicó Matteo Rossi, que dirigió los experimentos mientras era investigador postdoctoral en el SLAC.
El equipo llevó a cabo experimentos en tres fuentes de luz de rayos X: la Diamond Light Source del Reino Unido, la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource del SLAC y la Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE. Cada una de estas instalaciones ofrecía herramientas especializadas para sondear y comprender el material a un nivel fundamental. Todos los experimentos tuvieron que llevarse a cabo a distancia debido a las restricciones de la pandemia.
Esencialmente autodopante
Los experimentos demostraron que este niquelato podía albergar tanto CDW como estados superconductores de la materia, y que estos estados estaban presentes incluso antes de dopar el material. Esto fue sorprendente, porque el dopaje suele ser una parte esencial para conseguir que los materiales sean superconductores.
Lee dijo que el hecho de que este níquelato sea esencialmente autodopante lo hace significativamente diferente de los cupratos.
"Esto hace que los niquelatos sean un nuevo sistema muy interesante para estudiar cómo estas fases cuánticas compiten o se entrelazan entre sí", dijo. "Y significa que muchas de las herramientas que se utilizan para estudiar otros superconductores no convencionales pueden ser relevantes para éste también".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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