Newswise: dalla scoperta del 1986 che i materiali di ossido di rame, o cuprati, possono trasportare una corrente elettrica senza alcuna perdita a temperature inaspettatamente elevate, gli scienziati hanno cercato altri superconduttori non convenzionali che possano funzionare vicino alla temperatura ambiente. Ciò consentirebbe una serie di applicazioni quotidiane che potrebbero trasformare la società rendendo più efficiente la trasmissione dell’energia, ad esempio.
Il nichel o gli ossidi di nichel sembravano un candidato promettente. Si basa sul nichel che si trova accanto al rame nella tavola periodica e i due elementi hanno alcune proprietà comuni. Non era irragionevole pensare che la superconduttività fosse una di queste.
Ma ci sono voluti anni di tentativi prima che gli scienziati del Dipartimento dell’Energia dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University finalmente creassero Il primo nichel che ha mostrato chiari segni di superconduttività.
Ora i ricercatori SLAC e Stanford e Diamond Light Source hanno effettuato le prime misurazioni dell’eccitazione magnetica che si propaga attraverso il nuovo materiale come le increspature in uno stagno. I risultati rivelano le somiglianze e le sottili differenze tra nichel e rame. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati in Scienza Oggi.
Haio Lu, uno studente laureato di Stanford che ha condotto la maggior parte della ricerca con Matteo Rossi, un ricercatore post-dottorato della Stanford University, e lo scienziato del team SLAC Wei Shengli ha detto.
“Tra l’altro”, ha detto, “vogliamo capire la natura del rapporto tra cuprates e nickels: sono solo vicini di casa, che si salutano e parlano a modo loro, o più come cugini che condividono tratti familiari e modi di facendo cose?”
I risultati di questo studio si aggiungono a un crescente corpo di prove che la loro relazione è stretta, ha detto.
Gira sulla scacchiera
Cuprato e nichel hanno strutture simili, poiché i loro atomi sono disposti in un reticolo solido. Entrambi sono disponibili in sottili fogli 2D stratificati con altri elementi, come gli ioni di terre rare. Questi fogli sottili diventano superconduttori quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura e la densità dei loro elettroni liberi viene modificata in un processo noto come drogaggio.
Il primo nichel superconduttore è stato scoperto nel 2019 a SLAC e Stanford. L’anno scorso, lo stesso team SLAC/Stanford che ha condotto quest’ultimo esperimento ha pubblicato un file Il primo studio dettagliato del comportamento elettronico del nichel. Questo studio ha dimostrato che nel nichel ininterrotto, gli elettroni fluiscono liberamente negli strati di ossido di nichel, ma che anche gli elettroni degli strati intermedi contribuiscono con elettroni al flusso. Questo crea uno stato metallico 3D molto diverso da quello che vediamo negli ottoni, che sono isolanti quando non sono presenti.
Il magnetismo è importante anche nella superconduttività. Viene creato ruotando gli elettroni del materiale. Quando sono tutti puntati nella stessa direzione, in alto o in basso, il materiale è magnetico, il che significa che può aderire alla porta del frigorifero.
I cupriti, d’altra parte, sono antiferromagnetici: i loro spin elettronici formano uno schema a scacchiera, quindi ogni spin verso il basso è racchiuso in uno spin verso l’alto e viceversa. I cicli alternati si annullano a vicenda, quindi il materiale nel suo insieme non è magnetico nel senso ordinario.
Il nichel avrà le stesse proprietà? Per scoprirlo, i ricercatori lo hanno campionato al sincrotrone Diamond Light Source nel Regno Unito per l’esame utilizzando lo scattering di raggi X anelastico risonante, o rex. Con questa tecnica, gli scienziati diffondono la luce dei raggi X su un campione di materia. Questa iniezione di energia crea eccitazione magnetica – increspature che viaggiano attraverso il materiale e ribaltano casualmente lo spin di alcuni dei suoi elettroni. RIXS consente agli scienziati di misurare eccitazioni troppo deboli per essere osservate in altro modo.
Crea nuove ricette
“Quello che abbiamo scoperto è molto interessante”, mi ha detto. I dati mostrano che il nichel ha lo stesso tipo di interazione antimagnetica della cuprite. Ha anche un’energia magnetica simile, che riflette la forza delle interazioni tra gli spin vicini che mantengono in posizione questo sistema magnetico. Ciò significa che lo stesso tipo di fisica è importante in entrambi”.
Rossi ha notato che ci sono anche differenze. L’eccitazione magnetica non si diffonde molto nel nichel e muore più rapidamente. Gli steroidi influenzano anche le due sostanze in modo diverso; I “buchi” caricati positivamente che creano sono concentrati attorno agli atomi di nichel nel nichel e intorno agli atomi di ossigeno nei cuprati, e questo influenza il comportamento dei loro elettroni.
Mentre questo lavoro continua, ha detto Rossi, il team testerà come il drogaggio del nichel in modi diversi e lo scambio di diversi elementi di terre rare negli strati tra i fogli di ossido di nichel influenzi la superconduttività del materiale, aprendo la strada, sperano, alla scoperta di migliori superconduttori. . .
Lu, Rossi, Lee e altri sei membri del team di ricerca sono ricercatori presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) dello SLAC, che ha ricevuto finanziamenti significativi dall’Office of Science del Dipartimento di Energia. Anche i ricercatori del Lorentz Institute for Theoretical Physics dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi hanno contribuito a questo lavoro.
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