Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
Questo articolo riporta la scoperta della superconduttività bulk a pressione ambiente nel nickelato a strati quintupli planare-quadrato La6Ni5O12, sintetizzato tramite riduzione topotattica, che esibisce una temperatura di transizione onset di circa 18 K e una frazione di volume superconduttore di ~25%, stabilendo così una piattaforma cruciale per investigare il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura nei nickelati.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Per decenni, la famiglia di materiali più famosa che conduce elettricità senza alcuna resistenza è stata quella dei ceramici a base di rame, noti come cuprati. Questi materiali possono trasportare corrente con perfetta efficienza a temperature molto più calde dello zero assoluto, una proprietà che ha affascinato gli scienziati sin dagli anni '80. Tuttavia, comprendere esattamente come funzionino è stato difficile perché le versioni più utili di questi materiali esistono solo come film sottili o richiedono pressioni schiaccianti per funzionare. Questa limitazione ha costretto i ricercatori a fare affidamento su metodi indiretti per studiarli, proprio come cercare di capire l'interno di una casa guardando solo il tetto. Per risolvere questo enigma, gli scienziati hanno cercato una nuova famiglia di materiali che si comportasse come quelli al rame ma che fosse più facile da studiare. Hanno rivolto la loro attenzione agli ossidi a base di nichel, che condividono una struttura chimica e un ambiente elettronico simili con i materiali al rame. Sebbene i superconduttori a base di nichel siano stati scoperti di recente, anche essi erano intrappolati nello stesso imbuto: funzionavano solo in strati sottili o sotto pressione estrema, lasciando la massa del materiale in uno stato non superconduttore.
Un team di ricercatori ha ora infranto questa barriera creando un pezzo di materiale a base di nichel che conduce elettricità senza resistenza a pressione atmosferica normale. Gli scienziati sono partiti da un composto specifico di nichel, una struttura cristallina a cinque strati che si forma naturalmente sotto calore e pressione elevati. Questo materiale di partenza era un conduttore metallico, ma non era ancora un superconduttore. Per trasformarlo, i ricercatori hanno eseguito una delicata chirurgia chimica. Hanno posto i cristalli in un ambiente sigillato con un agente chimico che agisce come una spugna, assorbendo specifici atomi di ossigeno dalla superficie e dall'interno del cristallo. Questo processo, noto come reazione topotattica, ha rimosso l'ossigeno sufficiente a cambiare la disposizione degli atomi all'interno del materiale senza rompere il cristallo. Il risultato è stato una nuova versione del materiale in cui gli atomi di nichel si trovano in piani piatti e simili a quadrati, una struttura che i modelli teorici avevano da tempo previsto essere ideale per la superconduttività.
Quando i ricercatori hanno testato questo nuovo materiale, hanno scoperto che iniziava a condurre elettricità con resistenza zero a una temperatura di circa 18 Kelvin, che corrisponde a circa 255 gradi sotto lo zero sulla scala Celsius. Questo non era solo un effetto superficiale; il materiale si comportava come un vero superconduttore in tutto il suo volume. Per confermare ciò, il team ha misurato come il materiale rispondeva ai campi magnetici. Hanno osservato che il materiale respingeva attivamente i campi magnetici da se stesso, un segno distintivo della superconduttività, e che poteva intrappolare le linee di forza magnetica all'interno della sua struttura, un segno che stava trasportando correnti elettriche senza perdere energia. Hanno anche misurato la capacità termica del materiale, che mostrava un salto distinto alla stessa temperatura in cui l'elettricità smetteva di incontrare resistenza. Questo salto è una firma termodinamica definitiva che una grande porzione del materiale era entrata in uno stato superconduttore.
Lo studio ha rivelato che il successo di questa trasformazione dipendeva interamente dalla precisione. Se il trattamento chimico era troppo debole, il materiale rimaneva un metallo normale con alcune proprietà magnetiche insolite. Se il trattamento era troppo forte, il materiale diventava un isolante che bloccava completamente l'elettricità. Solo entro una finestra molto stretta di regolazione chimica appariva lo stato superconduttore. I ricercatori hanno stimato che circa un quarto del materiale nel loro campione fosse superconduttore, con il resto che rimaneva in uno stato normale, probabilmente a causa di minuscole crepe o lievi variazioni nella composizione chimica. Nonostante ciò, la scoperta è significativa perché fornisce il primo campione massivo di un superconduttore a base di nichel che funziona a pressione normale. Questo apre la porta agli scienziati per utilizzare strumenti potenti come la diffusione neutronica e l'imaging avanzato per guardare direttamente all'interno del materiale, rivelando potenzialmente i segreti della superconduttività ad alta temperatura che sono rimasti nascosti per anni.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.