Christopher Parzyck fez tudo certo. Parzyck, um pesquisador de pós-doutorado, trouxe suas amostras de níquelato – uma família de supercondutores recém-descoberta – para uma linha de luz síncrotron para experimentos de dispersão de raios X. Ele estava medindo suas amostras, que havia sintetizado com um novo método, na esperança de detectar a suspeita de “ordenação de carga” – um fenômeno no qual os elétrons se auto-organizam em padrões periódicos. O fenômeno tem sido associado à supercondutividade de alta temperatura.



Mas não houve nenhuma ordem de cobrança significativa em suas amostras. Nenhum.

"Ele voltou e disse:'As melhores amostras não mostraram isso'", disse Kyle Shen, professor de Ciências Físicas James A. Weeks na Faculdade de Artes e Ciências, que supervisionou o projeto. "Nós pensamos, 'Oh, isso é muito estranho. Eu não entendo isso.'"

Às vezes, os cientistas ficam tão perplexos que não têm outra escolha senão deixar de lado as suas hipóteses, arregaçar as mangas e vestir o chapéu de detetive. Depois de uma extensa investigação, Parzyck, Shen e seus colaboradores perceberam que tinham, de fato, feito tudo certo.

De acordo com descobertas publicadas em 26 de janeiro na revista Nature Materials , o novo método de síntese de Parzyck produziu niquelatos tão puros que estavam livres das falhas que mancharam estudos anteriores de niquelatos. A ordem de cobrança nunca existiu. Eles estavam perseguindo um fantasma.

“Relatórios anteriores disseram que eles viam essa ordem de cobrança, mas havia todas essas inconsistências”, disse Shen. "Chris desenvolveu uma maneira mais controlada de fabricar esses materiais que limita efetivamente o número de defeitos. O excesso de átomos de oxigênio estava disfarçado como uma assinatura de ordem de carga."

Nos últimos anos, os niquelatos têm sido objeto de considerável interesse porque são primos próximos dos bem conhecidos "cupratos", uma família de supercondutores à base de óxido de cobre que podem ter altas temperaturas de transição, acima de 100 Kelvin, ponto em que a resistência elétrica desaparece, enquanto para supercondutores convencionais, como chumbo ou nióbio, suas transições são inferiores a 10 Kelvin. Supercondutores de alta temperatura são muito mais fáceis de resfriar e, portanto, muito mais promissores para possíveis aplicações futuras.

Desde que os cupratos foram descobertos no final da década de 1980, os cientistas têm procurado famílias de supercondutores semelhantes que possam identificar as principais qualidades que permitem a supercondutividade em alta temperatura.

“Um lugar óbvio para procurar é o níquel, porque o níquel está logo ao lado do cobre na tabela periódica”, disse Shen. "Então as pessoas pensaram que talvez pudéssemos fazer alguma mágica de síntese de materiais e produzir compostos contendo níquel, como os cupratos. Essa ideia existia há 30 anos. A razão pela qual demorou tanto para perceber é que os supercondutores de níquel são realmente difíceis de fabricar. "

Outros pesquisadores sintetizaram níquelatos – que são compostos de níquel, oxigênio e um elemento de terras raras – primeiro cultivando um material “precursor” e depois expondo esse material a uma fonte de hidrogênio e aquecendo-o dentro de um tubo selado. Ao longo de mais ou menos um dia, o hidrogênio retira cerca de um terço das moléculas de oxigênio do material, o que Shen comparou à remoção de blocos em um jogo de Jenga.

“Sintetizar esses materiais é um pesadelo”, disse ele.

Parzyck e Shen desenvolveram uma técnica alternativa em que o oxigênio é removido por um feixe de hidrogênio atômico, processo comumente usado para limpeza de superfícies semicondutoras, mas nunca havia sido usado para síntese de materiais. A redução do hidrogênio atômico dá aos pesquisadores maior controle independente da quantidade de hidrogênio aplicada, além de variáveis ​​como tempo e pressão. O processo pode ser concluído em minutos, em vez de horas ou um dia.

“Desenvolver a técnica de redução foi um processo longo e desafiador por si só”, disse Parzyck. "Quando comecei, tentei aplicar condições como as usadas na redução tradicional com hidreto de cálcio - temperaturas baixas por períodos de tempo relativamente longos - mas a qualidade da amostra era sempre baixa e pouco consistente. Só quando decidi começar do zero e seguir uma direção completamente diferente - optando por temperaturas mais altas pelo menor período possível - que realmente tive algum sucesso."

Depois que seus experimentos com síncrotron não conseguiram mostrar o “pico de dispersão ressonante” que deveria ter sinalizado a presença de ordenação de carga, os pesquisadores começaram a variar a quantidade de oxigênio que estavam retirando.

"O verdadeiro avanço ocorreu quando começamos a medir as amostras que preparamos propositalmente para conterem excesso de oxigênio e vimos uma resposta muito forte e clara - então tivemos uma explicação alternativa viável para a origem do pico e finalmente soubemos que estávamos indo na direção certa. ", disse Parzyck.

Para confirmar as suas suspeitas, colaboraram com a falecida Lena Kourkoutis, M.S. '06, Ph.D. '09, professor associado de física aplicada e de engenharia, David Muller, o professor de engenharia Samuel B. Eckert e sua aluna de doutorado Lopa Bhatt, que usaram microscopia eletrônica para verificar diretamente se vestígios de oxigênio nas amostras estavam de fato causando a carga espúria -sinal de ordem.

A equipe não apenas identificou uma diferença crucial entre os supercondutores cuprato e niquelato; eles agora têm um método mais confiável para cultivar amostras mais limpas que podem ser potencialmente usadas para uma variedade maior de experimentos, com um pouco menos de mistério.

Mais informações: CT Parzyck et al, Ausência de ordem de onda de densidade de carga 3a0 no níquelato de camada infinita NdNiO2, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01797-0
Fornecido pela Universidade Cornell