High-temperature superconductivity in Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ membranes under pressure

Os pesquisadores superaram as limitações anteriores ao incorporar membranas livres de $\mathrm{Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2}$ em uma célula de bigorna de diamante, demonstrando que a temperatura crítica de supercondutividade aumenta linearmente e sem saturação até cerca de 90 GPa, atingindo temperaturas próximas à do nitrogênio líquido.

O essencial

Imagine que você tem um material mágico chamado supercondutor. Em condições normais, ele permite que a eletricidade flua sem nenhuma resistência (sem desperdício de energia), mas apenas quando está geladíssimo, perto do zero absoluto. O grande sonho dos cientistas é fazer esse material funcionar em temperaturas mais altas, como a de um dia de verão ou até mesmo na temperatura do nitrogênio líquido (que é muito frio, mas não tão extremo quanto o zero absoluto), para que possamos usar essa tecnologia no dia a dia, sem precisar de refrigeradores caros e gigantes.

Nos últimos anos, descobrimos uma nova família desses materiais mágicos, feitos de níquel (chamados de "níquelatos"). Eles são promissores, mas têm um limite: para funcionarem bem, precisam ser "esticados" ou "comprimidos" de uma forma muito específica, como se fossem um elástico sendo tensionado.

O Problema: A "Gaiola" de Cristal

Até agora, os cientistas conseguiam melhorar a performance desses materiais de níquel colocando-os em filmes finos sobre um "chão" de cristal (um substrato). É como tentar dobrar um elástico, mas ele está colado em uma mesa de pedra. Você consegue dobrar um pouco, mas se tentar dobrar demais, o elástico quebra ou o material perde suas propriedades.

Além disso, tentar colocar esses filmes finos dentro de uma máquina de pressão extrema (como um espremedor de alho gigante) era impossível, porque o "chão" de pedra quebrou muito antes de chegar na pressão necessária.

A Solução: O "Sanduíche" Flutuante

A equipe deste artigo teve uma ideia genial: e se a gente tirasse o material do chão?

Eles criaram uma técnica para soltar o filme de níquel do substrato, transformando-o em uma membrana flutuante, como se fosse uma folha de papel muito fina e resistente, ou uma membrana de tambor.

• A Analogia: Pense em tirar um adesivo de uma parede. Se você puxar com cuidado, ele sai inteiro. Eles fizeram isso com o material supercondutor, deixando-o "flutuar" livre.

O Experimento: A Prensa de Diamante

Com essa membrana flutuante em mãos, eles a colocaram dentro de uma Célula de Bigorna de Diamante (DAC).

• O que é isso? Imagine duas pontas de diamante (os materiais mais duros do mundo) apertando um grão de areia. Você pode gerar pressões absurdas, como se estivesse esmagando algo com o peso de um elefante em cima de um dedo.
• O Truque: Como a membrana não está presa a nenhum substrato, ela aguenta ser espremida até o limite sem quebrar.

O Resultado Surpreendente: A Linha Infinita

O que eles descobriram foi incrível. À medida que aumentavam a pressão (espremendo o material cada vez mais), a temperatura na qual o material se tornava supercondutor subia continuamente.

• A Descoberta: Em condições normais, a temperatura de supercondutividade era de cerca de 17°C (na escala Kelvin, claro, então -256°C). Com a pressão máxima que eles conseguiram (cerca de 90 Gigapascals, uma pressão absurda), a temperatura subiu para 74°C (na escala Kelvin, então -199°C).
• O Milagre: Em quase todos os outros materiais supercondutores, quando você aperta demais, eles param de melhorar e começam a piorar (é como um elástico que, se esticado demais, perde a elasticidade). Mas, com esse material de níquel, quanto mais eles apertavam, melhor ficava. Não houve sinal de que ele iria parar de melhorar. Foi como se o material tivesse um "botão de volume" que nunca chegava ao máximo.

Por que isso importa?

Imagine que você está tentando afinar um violão. Geralmente, se você apertar a corda demais, ela estoura. Mas, neste caso, a corda de níquel parece não ter limite de estouro; ela fica cada vez mais "afinada" e perfeita quanto mais você aperta.

Isso sugere que, se formos capazes de aplicar essa pressão de forma prática no futuro (ou encontrar materiais que imitem esse efeito), podemos criar supercondutores que funcionam em temperaturas muito mais altas do que imaginávamos.

Em resumo:
Os cientistas tiraram um material supercondutor de sua "gaiola" (o substrato), colocaram-no sob uma pressão extrema usando diamantes e descobriram que, ao contrário do esperado, ele ficou cada vez mais poderoso sem nunca mostrar sinais de cansaço. É como se tivessem descoberto que o "teto" do céu dos supercondutores de níquel não existe, e que podemos continuar subindo.

Resumo técnico

Título: Supercondutividade de Alta Temperatura em Membranas de Nd0.85Sr0.15NiO2 sob Pressão

1. O Problema

Desde a descoberta da supercondutividade em niquelatos de camada infinita (infinite-layer nickelates), houve um esforço contínuo para aumentar a temperatura crítica de transição supercondutora ($T_c$). Até o momento, otimizações em filmes finos epitaxiais (como o uso de substratos com melhor ajuste de rede e substituição de íons de terras raras para introduzir "pressão química") elevaram a $T_c$ de ~15 K para ~40 K.

No entanto, investigar os limites intrínsecos desses materiais sob pressão hidrostática extrema foi limitado por dois fatores principais:

1. A ausência de amostras volumétricas (bulk) de niquelatos de camada infinita supercondutores.
2. A instabilidade de filmes finos presos a substratos em ambientes de alta pressão; filmes convencionais tendem a se deteriorar estruturalmente abaixo de ~12 GPa, impedindo medições em regimes de pressão mais elevados onde efeitos eletrônicos fundamentais poderiam ser observados.

2. Metodologia

Para superar as limitações de estabilidade de filmes presos a substratos, os autores desenvolveram uma plataforma experimental inovadora baseada em membranas livres (freestanding) integradas em uma Célula de Bigorna de Diamante (DAC):

• Síntese da Amostra: Foram sintetizados filmes finos de Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ (aproximadamente 6,7 nm de espessura) via deposição por laser pulsado, seguidos por redução topotática.
• Técnica de Membrana Livre: Os filmes foram encapsulados por camadas de proteção (SrTiO$_3$) e crescidos sobre uma camada sacrificial solúvel em água. Após a dissolução da camada sacrificial, uma membrana de niquelato de camada infinita sustentada por polímero foi liberada.
• Integração no DAC: A membrana foi transferida diretamente para a bigorna de diamante (culet) sem substrato. Contatos elétricos ôhmicos (Ti/Au) foram fabricados localmente na membrana usando máscaras de estêncil de nitreto de silício e litografia por feixe de elétrons.
• Medições: As medições de transporte elétrico foram realizadas em uma DAC com bigornas de diamante de 200 µm e 300 µm, utilizando óleo de silicone como meio transmissor de pressão (PTM). A pressão foi calibrada usando fluorescência de rubi e a borda Raman do diamante, alcançando até ~91,5 GPa.

3. Principais Contribuições

• Desenvolvimento de uma Plataforma de Medição: A criação de um método robusto para integrar membranas supercondutoras de niquelato de camada infinita em células de bigorna de diamante, permitindo medições de transporte elétrico em pressões extremas (>90 GPa) sem a degradação associada a filmes presos a substratos.
• Superação de Limites de Estabilidade: Demonstração de que a geometria de membrana livre permite acessar regimes de pressão anteriormente inacessíveis para este tipo de material, superando o limite de ~12 GPa imposto por filmes epitaxiais tradicionais.

4. Resultados

• Aumento Linear da $T_c$: A temperatura crítica ($T_c$) aumentou monotonicamente e de forma robusta com o aumento da pressão.
  • A $T_c$ inicial (pressão ambiente) era de ~17 K.
  • Na pressão máxima de 91,5 GPa, a $T_c$ atingiu **74,2 K** (definida como temperatura de início da transição, $T_{c,onset}$).
• Taxa de Aumento: O aumento da $T_c$ seguiu uma relação linear simples com a pressão, com uma taxa de 0,65 K/GPa.
• Ausência de Saturação: Diferente de outros supercondutores de alta temperatura (como cupratos e niquelatos de bicamada) que exibem um "dome" (aumento seguido de queda/saturação) devido ao sobredopagem induzida por pressão, o niquelato de camada infinita não mostrou sinais de saturação ou declínio até a pressão máxima alcançada.
• Propriedades Supercondutoras:
  • A largura da transição supercondutora estreitou-se em pressões mais altas, sugerindo uma redução na inhomogeneidade do estado supercondutor.
  • Medições de campo crítico superior ($H_{c2}$) sob campos magnéticos até 13 T mostraram um aumento significativo, e o comprimento de coerência in-plane ($\xi_{ab}$) diminuiu de ~2,39 nm para ~1,54 nm, indicando um fortalecimento do estado supercondutor.

5. Significância

• Revisão dos Limites Teóricos: Os resultados desafiam modelos teóricos que previam que a compressão do eixo c levaria rapidamente a um efeito de "auto-dopagem" (self-doping) e à supressão da supercondutividade em niquelatos de camada infinita. A ausência de saturação sugere que a força de emparelhamento nestes materiais pode ser elevada a escalas muito mais altas do que o previsto.
• Comparação com Outros Materiais: A resposta não saturante contrasta fortemente com cupratos e niquelatos de bicamada (como La$_3$Ni$_2$O$_7$), onde a pressão eventualmente suprime a supercondutividade. Isso posiciona os niquelatos de camada infinita como candidatos promissores para atingir $T_c$ ainda mais altas.
• Aplicabilidade Geral: A técnica desenvolvida de membranas livres em DAC pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais bidimensionais, abrindo novas fronteiras para o estudo de física de materiais sob condições extremas.
• Potencial Futuro: A descoberta de uma $T_c$ próxima à temperatura do nitrogênio líquido (~74 K) sob pressão sugere que, com otimizações adicionais ou busca por novos compostos, a supercondutividade em niquelatos pode se tornar viável para aplicações práticas em temperaturas mais altas.