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Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12

Este artículo reporta el descubrimiento de superconductividad de volumen a presión ambiente en el nickelato de capa quinta de estructura cuadrada-planar La6Ni5O12, sintetizado mediante reducción topotáctica, el cual exhibe una temperatura de transición de inicio de aproximadamente 18 K y una fracción de volumen superconductor de ~25%, estableciendo así una plataforma crucial para investigar el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura en los nickelatos.

Autores originales: Mengzhu Shi, Mei Du, Hongyu Li, Zhiwei Wang, Zhengjie Wang, Ziji Xiang, Tao Wu, Xianhui Chen

Publicado 2026-10-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Mengzhu Shi, Mei Du, Hongyu Li, Zhiwei Wang, Zhengjie Wang, Ziji Xiang, Tao Wu, Xianhui Chen

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Durante décadas, la familia de materiales más famosa que conduce la electricidad sin ninguna resistencia ha sido la de las cerámicas basadas en cobre, conocidas como cupratos. Estos materiales pueden transportar la corriente con eficiencia perfecta a temperaturas mucho más cálidas que el cero absoluto, una propiedad que ha fascinado a los científicos desde la década de 1980. Sin embargo, comprender exactamente cómo funcionan ha sido difícil porque las versiones más útiles de estos materiales solo existen como películas delgadas o requieren presiones aplastantes para funcionar. Esta limitación ha obligado a los investigadores a depender de métodos indirectos para estudiarlos, de forma muy parecida a intentar comprender el interior de una casa observando únicamente el tejado. Para resolver este rompecabezas, los científicos han estado buscando una nueva familia de materiales que se comporte como los de cobre pero que sea más fácil de estudiar. Dirigieron su atención a los óxidos basados en níquel, que comparten una estructura química y un entorno electrónico similares con los materiales de cobre. Aunque los superconductores basados en níquel se descubrieron recientemente, ellos también quedaron atrapados en la misma trampa: solo funcionaban en capas delgadas o bajo una presión extrema, dejando el grueso del material en un estado no superconductor.

Un equipo de investigadores ha roto ahora esta barrera mediante la creación de un trozo de material basado en níquel que conduce la electricidad sin resistencia a la presión atmosférica normal. Los científicos comenzaron con un compuesto de níquel específico, una estructura cristalina de cinco capas que se forma naturalmente bajo calor y presión elevados. Este material inicial era un conductor metálico, pero aún no era un superconductor. Para transformarlo, los investigadores realizaron una delicada cirugía química. Colocaron los cristales en un entorno sellado con un agente químico que actúa como una esponja, absorbiendo átomos de oxígeno específicos de la superficie y el interior del cristal. Este proceso, conocido como reacción topotáctica, eliminó la cantidad justa de oxígeno para cambiar la disposición de los átomos dentro del material sin romper el cristal. El resultado fue una nueva versión del material donde los átomos de níquel se asientan en planos planos y de forma cuadrada, una estructura que los modelos teóricos habían predicho durante mucho tiempo que sería ideal para la superconductividad.

Cuando los investigadores probaron este nuevo material, descubrieron que comenzaba a conducir la electricidad con cero resistencia a una temperatura de unos 18 Kelvin, lo que es aproximadamente 255 grados bajo cero en la escala Celsius. Esto no fue solo un efecto superficial; el material se comportó como un verdadero superconductor en todo su volumen. Para confirmar esto, el equipo midió cómo respondía el material a los campos magnéticos. Observaron que el material repelía activamente los campos magnéticos, una característica distintiva de la superconductividad, y que podía atrapar líneas de fuerza magnética dentro de su estructura, una señal de que estaba transportando corrientes eléctricas sin perder energía. También midieron la capacidad calorífica del material, la cual mostró un salto distintivo en la misma temperatura donde la electricidad dejó de encontrar resistencia. Este salto es una firma termodinámica definitiva de que una gran parte del material había entrado en un estado superconductor.

El estudio reveló que el éxito de esta transformación dependía enteramente de la precisión. Si el tratamiento químico era demasiado débil, el material permanecía como un metal normal con algunas propiedades magnéticas inusuales. Si el tratamiento era demasiado fuerte, el material se convertía en un aislante que bloqueaba la electricidad por completo. Solo dentro de una ventana muy estrecha de ajuste químico apareció el estado superconductor. Los investigadores estimaron que aproximadamente una cuarta parte del material en su muestra era superconductor, mientras que el resto permanecía en un estado normal, probablemente debido a pequeñas grietas o ligeras variaciones en la composición química. A pesar de esto, el descubrimiento es significativo porque proporciona la primera muestra volumétrica de un superconductor basado en níquel que funciona a presión normal. Esto abre la puerta para que los científicos utilicen herramientas poderosas como la dispersión de neutrones y la imagen avanzada para mirar directamente dentro del material, revelando potencialmente los secretos de la superconductividad de alta temperatura que han permanecido ocultos durante años.

Resumen Técnico: Superconductividad en Bulto en el Niquelato de Capa Cuíntuple de Estructura Cuadrado-Plana La₆Ni₅O₁₂

Planteamiento del Problema
Desde el descubrimiento de los superconductores de cuprato, se han investigado los óxidos basados en níquel como análogos estructurales y electrónicos para desentrañar el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura. Si bien se ha confirmado la superconductividad en películas delgadas de niquelatos de capa infinita (por ejemplo, Nd₁₋ₓSrₓNiO₂) y en varios niquelatos multicapa (incluyendo fases de estructura cuadrado-plana y de Ruddlesden–Popper), todos estos descubrimientos hasta la fecha se han restringido a arquitecturas de película delgada o muestras bajo alta presión. Esta limitación impide la aplicación de sondas experimentales sensibles al bulto (como la dispersión de neutrones y la resonancia magnética nuclear) y dificulta el estudio de las propiedades electrónicas intrínsecas del bulto sin ambigüedades de interfaz o deformación. Los intentos previos de sintetizar monocristales de bulto de niquelatos de capa infinita mediante reducción topotáctica no han logrado producir superconductividad, resultando frecuentemente en un comportamiento aislante debido al desorden estructural, microgrietas y una continuidad intergranular interrumpida. En consecuencia, la realización de la superconductividad en bulto en niquelatos a presión ambiente sigue siendo un objetivo no alcanzado.

Metodología
Los autores emplearon una estrategia de síntesis de dos pasos para superar estas limitaciones:

Síntesis de Alta Presión/Alta Temperatura: Primero sintetizaron el precursor de la fase de Ruddlesden–Popper (RP) de capa quíntuple, La₆Ni₅O₁₆, en forma de monocristal de bulto utilizando un aparato de seis yunques (5 GPa, 1600 °C). La difracción de rayos X de monocristal y la microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) confirmaron la estructura monoclínica RP que comprende cinco subcapas de perovskita (LaNiO₃)₅ separadas por capas de sal de roca de LaO.
Reducción Topotáctica: Los cristales precursores se sometieron a una reducción topotáctica utilizando LiAlH₄ como captador de oxígeno en un tubo de cuarzo sellado. La reacción se llevó a cabo a distintas temperaturas (310 °C, 320 °C y 330 °C) durante 40 horas para eliminar los átomos de oxígeno apicales de los octaedros de NiO₆. Este proceso tenía como objetivo convertir las capas derivadas de la perovskita en planos de NiO₂ de estructura cuadrado-plana (SP), análogos a los cupratos, formando la fase objetivo La₆Ni₅O₁₂.
Caracterización: Las muestras resultantes se caracterizaron mediante difracción de rayos X de polvo (XRD), HAADF-STEM e iDPC-STEM para verificar la transformación estructural. Las propiedades de transporte se midieron mediante resistividad de cuatro puntas en microcristales seleccionados. Las propiedades magnéticas se sondearon mediante susceptibilidad de campo cero/campo aplicado (ZFC/FC), bucles de histéresis de magnetización y mediciones de torque magnético altamente sensibles en cristales individuales. Las mediciones de calor específico se realizaron en pellets policristalinos para evaluar las propiedades termodinámicas de bulto.

Resultados Clave

Transformación Estructural: La reducción topotáctica convirtió con éxito la La₆Ni₅O₁₆ de estructura monoclínica en la estructura tetragonal de tipo T′ de La₆Ni₅O₁₂. Las imágenes de STEM confirmaron la eliminación del oxígeno apical y la formación de cinco planos alternos de NiO₂ de capa infinita y capas de bloqueo de tipo fluorita.
Ventana de Optimización: El estado electrónico de La₆Ni₅O₁₂ es altamente sensible a la temperatura de reducción.
- A 310 °C, las muestras exhibieron un estado metálico con una anomalía tipo onda de densidad cerca de 94 K y una transición superconductora cerca de 18 K, aunque con resistencia residual.
- A 320 °C, las muestras mostraron un estado normal metálico limpio seguido de una transición superconductora aguda con una temperatura de inicio ( $T_c$ ) de aproximadamente 18 K y resistencia cero.
- A 330 °C, las muestras se volvieron aislantes, lo que indica una sobre-reducción.
Evidencia de Superconductividad:
- Transporte: Las mediciones de resistividad mostraron una transición a resistencia cero a ~18 K para la muestra recocida a 320 °C. La transición fue suprimida por campos magnéticos, produciendo un campo crítico superior $\mu_0H_{c2}(0) \approx 41.5$ T.
- Magnetismo: Las mediciones de susceptibilidad ZFC/FC revelaron una fracción de blindaje diamagnético de ~26% a 18 K. Los bucles de histéresis de magnetización a 2 K demostraron superconductividad de tipo II con un campo crítico inferior $\mu_0H_{c1} \approx 950$ Oe y una densidad de corriente crítica $J_c \approx 2000$ A cm⁻². Las mediciones de torque magnético en monocristales confirmaron la superconductividad de bulto y el anclaje de flujo (flux pinning).
- Calor Específico: Las mediciones de calor específico en pellets policristalinos mostraron una clara anomalía de salto a ~18 K, la cual se desplaza a temperaturas más bajas bajo campos magnéticos. El análisis del calor específico electrónico ( $C_e$ ) indicó una fracción de volumen superconductora de aproximadamente el 25%, consistente con los datos de blindaje magnético. Los datos se ajustan a un modelo- $\alpha$ de BCS de una sola banda con una $T_c$ de campo medio de 17.5 K y un gap $\Delta = 3.6$ meV.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma la primera realización de la superconductividad en bulto a presión ambiente en un superconductor de niquelato, específicamente el compuesto de capa quíntuple y estructura cuadrado-plana La₆Ni₅O₁₂. Los autores enfatizan que este descubrimiento establece una plataforma sin precedentes para investigar la superconductividad de los niquelatos utilizando técnicas sensibles al bulto que anteriormente eran inaccesibles debido a la naturaleza de película delgada de las muestras previas.

El trabajo respalda las predicciones teóricas de que el miembro $n=5$ de la familia de niquelatos cuadrado-planos reside naturalmente en un régimen de dopaje favorable para la superconductividad, con una valencia nominal de Ni de +1.2 comparable a la de las películas delgadas de capa infinita con dopaje óptimo. Los autores señalan que la disponibilidad de estos cristales de bulto elimina las ambigüedades de interfaz y de deformación, allanando el camino para futuros estudios sobre el mecanismo de superconductividad, particularmente respecto al papel de las correlaciones electrónicas de multicapa y las comparaciones con las películas delgadas de capa infinita. El artículo concluye que esta plataforma permite la optimización sistemática de las propiedades superconductoras mediante la sustitución química y la ingeniería estructural, fomentando la búsqueda de otros superconductores de niquelato a presión ambiente dentro de la serie de Ruddlesden–Popper más amplia.

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