Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

Per decenni, i fisici hanno inseguito un tipo specifico di magia elettrica: la capacità della corrente di scorrere attraverso un materiale con resistenza assolutamente nulla. Questo fenomeno, noto come superconduttività, richiede solitamente il raffreddamento dei materiali a temperature così fredde da essere appena sopra lo zero assoluto. Tuttavia, una famiglia di materiali chiamati cuprati, che contengono rame, ha infranto questa regola diventando superconduttori a temperature molto più elevate e gestibili. Questa scoperta ha scatenato una ricerca durata decenni per trovare altre famiglie di materiali che potessero fare lo stesso, sperando che comprenderle rivelerebbe il meccanismo segreto dietro la superconduttività ad alta temperatura. Un candidato promettente è emerso sotto forma di nickelati, materiali contenenti nichel che appaiono strutturalmente simili ai cuprati a base di rame. Quando gli scienziati hanno creato film sottili di questi nickelati e li hanno drogati con un elemento specifico, sono riusciti a osservare la superconduttività. Eppure, è nata una contraddizione sconcertante: quando altri team hanno cercato di creare lo stesso identico materiale in grandi blocchi massicci (bulk) anziché in film sottili, la superconduttività è scomparsa completamente.

Questo mistero ha spinto un team di ricercatori a indagare sul perché i campioni massicci fallissero mentre i film sottili avessero successo. Hanno proposto che la differenza non fosse dovuta al substrato o all'interfaccia dove si trova il film sottile, come alcuni avevano ipotizzato, ma piuttosto a minuscole imperfezioni inerenti al processo di sintesi del materiale massiccio. Attraverso una combinazione di modellazione magnetica e simulazioni al computer, il team ha scoperto che i campioni massicci contengono isole microscopiche di metallo di nichel puro che si formano insieme al materiale principale. Poiché il nichel puro è magnetico, queste piccole isole agiscono come mini magneti sparsi attraverso il campione. I ricercatori hanno calcolato che il campo magnetico generato da questi cluster è abbastanza forte da interrompere lo stato delicato richiesto per la superconduttività, uccidendola efficacemente prima ancora che possa iniziare.

L'indagine è iniziata affrontando un dibattito di lunga data sul ruolo della superficie su cui vengono cresciuti i film sottili. Alcuni scienziati avevano suggerito che la superconduttività nei film sottili fosse un fenomeno di interfaccia, ovvero che accadesse solo dove il materiale tocca il substrato. Tuttavia, gli autori hanno osservato che gli esperimenti che misurano l'espulsione dei campi magnetici confermano che il substrato non partecipa direttamente al meccanismo superconduttore. Inveve, l'attenzione si è spostata sulla qualità interna del materiale stesso. Era stato precedentemente riportato che i campioni massicci di questi nickelati soffrono di una mancanza di atomi di nichel in certe aree, e che gli atomi di nichel mancanti non scompaiono semplicemente. Invece, si raggruppano per formare cluster distinti, alcuni grandi quanto pochi micrometri, che rimangono intrappolati tra i grani del materiale principale.

Per comprendere l'impatto di questi cluster, i ricercatori li hanno trattati come piccoli ferromagneti, poiché il nichel è un metallo magnetico. Hanno stimato la dimensione di questi cluster in circa un micrometro di raggio e hanno calcolato il campo magnetico che produrrebbero. Utilizzando due diversi modelli fisici per descrivere come si comportano questi campi magnetici, hanno scoperto che anche a una distanza di dieci micrometri da un cluster, il campo magnetico rimane forte, raggiungendo valori nell'ordine dei millitesla. Questa è una scoperta critica perché la soglia alla quale la superconduttività in questi materiali si interrompe è estremamente bassa, riportata a soli 0,79 millitesla. I campi magnetici generati dai cluster di nichel sono ordini di grandezza più forti di questo limite, il che significa che, se questi cluster sono presenti, creano un ambiente magnetico ostile alla superconduttività, impedendo al materiale di entrare mai in quello stato.

In una linea di indagine parallela, il team ha utilizzato simulazioni al computer per esaminare come l'assenza di atomi di nichel influenzi la struttura elettronica del materiale. Hanno modellato il materiale con diversi gradi di carenza di nichel e hanno scoperto che gli atomi mancanti riducono l'importanza di un particolare orbitale elettronico, noto come orbitale Ni 3dx2−y2, al livello di energia in cui avviene la superconduttività. Questo orbitale è considerato essenziale per il comportamento superconduttore in questi materiali. Quando la sua influenza è diminuita dalla presenza di regioni carenti di nichel, il materiale perde un ingrediente chiave necessario affinché il fenomeno avvenga. Ciò suggerisce che, anche se i cluster magnetici venissero rimossi, le imperfezioni chimiche nei campioni massicci ostacolerebbero comunque la formazione di uno stato superconduttore.

Gli autori concludono che l'assenza di superconduttività nei nickelati a strato infinito massicci è probabilmente dovuta a una combinazione di questi due fattori. Le regioni carenti di nichel alterano il panorama elettronico in un modo che è deleterio per la superconduttività, mentre gli atomi di nichel che si sono radunati in cluster generano campi magnetici abbastanza forti da distruggere interamente lo stato superconduttore. Queste imperfezioni sembrano essere una conseguenza specifica dei metodi chimici attualmente utilizzati per sintetizzare i campioni massicci, che differiscono dalle tecniche utilizzate per creare i con successo film sottili. I ricercatori suggeriscono che se i futuri metodi di sintesi riusciranno a eliminare questi cluster di nichel e a correggere la carenza di nichel, potrebbe essere possibile osservare la superconduttività nei campioni di nickelato massicci, risolvendo finalmente il mistero del perché i campioni spessi siano rimasti in silenzio mentre i film sottili cantano.