Primer informe de superconductividad en un material de óxido de níquel

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Primer informe de superconductividad en un material de óxido de níquel

Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford han fabricado el primer material de óxido de níquel que muestra signos claros de superconductividad: la capacidad de transmitir corriente eléctrica sin pérdida.

También conocido como nickelate, es el primero de una nueva familia potencial de superconductores no convencionales que es muy similar a los óxidos de cobre o cupratos, cuyo descubrimiento en 1986 levantó la esperanza de que algún día los superconductores pudieran funcionar a temperatura ambiente y revolucionar los dispositivos electrónicos y la energía. transmisión y otras tecnologías. Esas similitudes hacen que los científicos se pregunten si los nickelatos también podrían superconducirse a temperaturas relativamente altas.

Al mismo tiempo, el nuevo material parece diferente de los cupratos en formas fundamentales, por ejemplo, puede que no contenga un tipo de magnetismo que tienen todos los cupratos superconductores, y esto podría anular las principales teorías sobre cómo funcionan estos superconductores no convencionales. Después de más de tres décadas de investigación, nadie lo ha precisado.

Los experimentos fueron dirigidos por Danfeng Li, un investigador postdoctoral del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía en SLAC, y se describe hoy en Nature.

"Este es un descubrimiento muy importante que requiere que reconsideremos los detalles de la estructura electrónica y los posibles mecanismos de superconductividad en estos materiales", dijo George Sawatzky, profesor de física y química en la Universidad de Columbia Británica que no participó en el estudio pero escribió un comentario que acompañó el artículo en Nature. "Esto hará que mucha gente se meta en la investigación de esta nueva clase de materiales, y se realizará todo tipo de trabajo experimental y teórico".

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Una ilustración muestra un paso clave para crear un nuevo tipo de material superconductor: al igual que extraer bloques de una torre en un juego de Jenga, los científicos utilizaron la química para eliminar cuidadosamente una capa de átomos de oxígeno. Esto convirtió el material en una nueva estructura atómica, un nickelate, que puede conducir electricidad con un 100% de eficiencia. (Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Desde que se descubrieron los superconductores de cuprato, los científicos han soñado con fabricar materiales de óxido similares basados ​​en níquel, que está justo al lado del cobre en la tabla periódica de los elementos.

Pero hacer nickelatos con una estructura atómica que conduzca a la superconductividad resultó ser inesperadamente difícil.

"Hasta donde sabemos, el nickelate que estábamos tratando de fabricar no es estable a las temperaturas muy altas, alrededor de 600 grados centígrados, donde estos materiales se cultivan normalmente", dijo Li. "Así que teníamos que comenzar con algo que pudiéramos cultivar de manera estable a altas temperaturas y luego transformarlo a temperaturas más bajas en la forma que queríamos".

Comenzó con una perovskita, un material definido por su estructura atómica única de doble pirámide, que contenía neodimio, níquel y oxígeno. Luego dopaba la perovskita añadiendo estroncio; Este es un proceso común que agrega productos químicos a un material para hacer que más electrones fluyan libremente.

Esto les robó electrones a los átomos de níquel, dejando "agujeros" vacíos, y los átomos de níquel no estaban contentos con eso, dijo Li. El material ahora era inestable, por lo que el siguiente paso, hacer crecer una película delgada de él en una superficie, es realmente desafiante; Le llevó medio año conseguir que funcionara.

Una vez hecho eso, Li cortó la película en trozos pequeños, la envolvió sin apretar en papel de aluminio y la selló en un tubo de ensayo con un químico que arrebató cuidadosamente una capa de sus átomos de oxígeno, al igual que quitar un palo de una torre tambaleante de Jenga bloquea. Esto convirtió la película en una estructura atómica completamente nueva: un nickelato dopado con estroncio.

"Cada uno de estos pasos se había demostrado antes", dijo Li, "pero no en esta combinación".

Recuerda el momento exacto en el laboratorio, alrededor de las 2 a.m., cuando las pruebas indicaron que el nickelato dopado podría ser superconductor. Li estaba tan emocionado que se quedó despierto toda la noche, y por la mañana cooptó la reunión regular de su grupo de investigación para mostrarles lo que había encontrado. Pronto, muchos de los miembros del grupo se unieron a él en un esfuerzo ininterrumpido para mejorar y estudiar este material.

Pruebas adicionales revelarían que el nickelate era realmente superconductor en un rango de temperatura de 9-15 grados Kelvin, increíblemente frío, pero un primer comienzo, con posibilidades de temperaturas más altas por delante.

La investigación sobre el nuevo material se encuentra en una "etapa muy, muy temprana, y hay mucho trabajo por delante", advirtió Harold Hwang, investigador de SIMES, profesor de SLAC y Stanford y autor principal del informe. "Acabamos de ver los primeros experimentos básicos, y ahora tenemos que hacer toda la batería de investigaciones que todavía están en curso con cupratos".

Entre otras cosas, dijo, los científicos querrán dopar el material de nickelate de varias maneras para ver cómo esto afecta su superconductividad en un rango de temperaturas y determinar si otros nickelatos pueden convertirse en superconductores. Otros estudios explorarán la estructura magnética del material y su relación con la superconductividad. (Fuente: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory)

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