Desde a descoberta de 1986 de que os materiais de óxido de cobre, ou cuprates, poderia transportar corrente elétrica sem perda em temperaturas inesperadamente altas, os cientistas têm procurado outros supercondutores não convencionais que possam operar ainda mais perto da temperatura ambiente. Isso permitiria uma série de aplicações diárias que poderiam transformar a sociedade, tornando a transmissão de energia mais eficiente, por exemplo.

Óxidos de níquel, ou niquelados, parecia um candidato promissor. Eles são baseados em níquel, que fica ao lado do cobre na tabela periódica, e os dois elementos têm algumas características comuns. Não era absurdo pensar que a supercondutividade seria um deles.

Mas foram necessários anos de tentativas antes que os cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford finalmente criassem o primeiro níquelato que mostrava sinais claros de supercondutividade.

Agora SLAC, Stanford, e os pesquisadores da Diamond Light Source fizeram as primeiras medições de excitações magnéticas que se espalharam pelo novo material como ondulações em um lago. Os resultados revelam semelhanças importantes e diferenças sutis entre níquelatos e cupratos. Os cientistas publicaram seus resultados em Ciência hoje.

"Isso é empolgante, porque nos dá um novo ângulo para explorar como funcionam os supercondutores não convencionais, que ainda é uma questão em aberto após mais de 30 anos de pesquisa, "disse Haiyu Lu, um estudante de graduação de Stanford que fez a maior parte da pesquisa com o pesquisador de pós-doutorado de Stanford Matteo Rossi e o cientista da equipe do SLAC Wei-Sheng Lee.

"Entre outras coisas, " ele disse, "queremos entender a natureza da relação entre cupratos e níquelados:eles são apenas vizinhos, acenando olá e seguindo seus caminhos separados, ou mais como primos que compartilham traços familiares e maneiras de fazer as coisas? "

Os resultados deste estudo, ele disse, somam-se a um crescente corpo de evidências de que seu relacionamento é próximo.

Gira em um tabuleiro de damas

Cupratos e níquelatos têm estruturas semelhantes, com seus átomos dispostos em uma estrutura rígida. Ambos vêm em finos, folhas bidimensionais que são cobertas por outros elementos, como íons de terras raras. Essas folhas finas se tornam supercondutoras quando são resfriadas abaixo de uma determinada temperatura e a densidade de seus elétrons de fluxo livre é ajustada em um processo conhecido como doping.

O primeiro níquelato supercondutor foi descoberto em 2019 no SLAC e em Stanford. Ano passado, a mesma equipe SLAC / Stanford que realizou este último experimento publicou o primeiro estudo detalhado do comportamento eletrônico do níquelato. Esse estudo estabeleceu que em níquelato não dopado, elétrons fluem livremente em camadas de óxido de níquel, mas os elétrons das camadas intermediárias também contribuem com elétrons para o fluxo. Isso cria um estado metálico 3D que é bastante diferente do que é visto em cupratos, que são isolantes quando não dopados.

O magnetismo também é importante na supercondutividade. É criado pelos spins dos elétrons de um material. Quando estão todos orientados na mesma direção, para cima ou para baixo, o material é magnético no sentido de que pode grudar na porta da sua geladeira.

Cuprates, por outro lado, são antiferromagnéticos:seus spins de elétrons formam um padrão quadriculado, então, cada giro para baixo é cercado por giros para cima e vice-versa. Os giros alternados se cancelam, portanto, o material como um todo não é magnético no sentido comum.

O níquelato teria essas mesmas características? Descobrir, pesquisadores levaram amostras para o síncrotron Diamond Light Source no Reino Unido para exame com espalhamento de raios-X inelástico ressonante, ou RIXS. Nesta técnica, cientistas espalham raios-X em uma amostra de material. Essa injeção de energia cria excitações magnéticas - ondulações que viajam através do material e invertem aleatoriamente os spins de alguns de seus elétrons. O RIXS permite aos cientistas medir excitações muito fracas que não poderiam ser observadas de outra forma.

Criação de novas receitas

"O que descobrimos é bastante interessante, "Disse Lee." Os dados mostram que o níquelato tem o mesmo tipo de interação antiferromagnética que os cupratos têm. Ele também tem uma energia magnética semelhante, que reflete a força das interações entre spins vizinhos que mantêm essa ordem magnética no lugar. Isso implica que o mesmo tipo de física é importante em ambos. "

Mas também existem diferenças, Rossi notou. Excitações magnéticas não se espalham tanto em níquelatos, e morrer mais rapidamente. O doping também afeta os dois materiais de maneira diferente; os "buracos" carregados positivamente que ele cria estão concentrados em torno de átomos de níquel em níquel e em torno de átomos de oxigênio em cupratos, e isso afeta como seus elétrons se comportam.

Conforme este trabalho continua, Rossi disse, a equipe vai testar como dopar o níquel de várias maneiras e trocar diferentes elementos de terras raras nas camadas entre as folhas de óxido de níquel afetam a supercondutividade do material - abrindo o caminho, eles esperam, para a descoberta de melhores supercondutores.