Científicos predicen mejora en superconductividad de película de níquel a temperatura ambiente

Un equipo de físicos ha propuesto un mecanismo teórico para mejorar las propiedades superconductoras de películas delgadas de óxido de níquel y lantano (La3Ni2O7) que operan a presión ambiente, según un artículo científico publicado en arXiv.org. El estudio se centra en un material que ha alcanzado temperaturas de transición superconductora de aproximadamente 40 Kelvin sin necesidad de aplicar presión externa, un avance significativo en el campo de la superconductividad de alta temperatura.

El trabajo analiza el sistema superconductor La2.85Pr0.15Ni2O7 en forma de película delgada, desarrollado recientemente por el equipo de investigación liderado por Z.Y. Chen, según el documento. Este material fue cultivado exitosamente sobre un sustrato de SrLaAlO4 bajo presión ambiente, logrando una temperatura de transición superconductora de alrededor de 40K, según los investigadores citados en el estudio.

Los científicos emplearon la aproximación de intercambio de fluctuaciones (FLEX, por sus siglas en inglés) para analizar sistemáticamente las propiedades superconductoras de un modelo de dos orbitales y dos sitios para la película de La3Ni2O7 en el régimen débilmente correlacionado, según el artículo. El análisis se enfocó específicamente en la dependencia de estas propiedades respecto a la concentración de dopaje con huecos.

Mediante un examen detallado de la topología de la superficie de Fermi, los investigadores descubrieron que cuando emerge un bolsillo compuesto por el orbital cerca del punto Γ (gamma), su anidamiento con el bolsillo β, junto con el anidamiento entre los bolsillos α y β, conduce a una mejora mutua del apareamiento de onda s en el vector de onda correspondiente, según el estudio.

La superficie de Fermi, que desempeña un papel crítico en la determinación del comportamiento superconductor, es sensible a variaciones en las constantes de red, el llenado de electrones y la fuerza de interacción, según el documento. Los investigadores encontraron que la estructura de película delgada de La2.85Pr0.15Ni2O7 exhibe una distancia inter-capa Ni-Ni más grande dentro de cada bicapa en comparación con el compuesto La3Ni2O7 en volumen, lo que reduce directamente el salto inter-capa entre los orbitales, según el análisis.

El estudio reveló que la susceptibilidad de espín exhibe cuatro series distintas de picos en ciertos niveles de dopaje, según los resultados. Cada uno de estos picos corresponde a una condición específica de anidamiento en la superficie de Fermi, contribuyendo al apareamiento superconductor. Los investigadores identificaron que el apareamiento de onda s en este sistema puede ser contribuido por cuatro tipos de anidamiento, y el bolsillo γ parece tener un impacto significativo en la superconductividad a través del anidamiento con el vector de onda, según el documento.

Para investigar más a fondo el impacto del bolsillo γ en la superconductividad, los científicos realizaron un experimento computacional suprimiendo artificialmente el peso espectral de la función de Green alrededor del punto Γ en el cálculo de Eliashberg, según la metodología descrita. Los resultados mostraron que el valor propio λ original es consistentemente más alto que el del caso donde se elimina el bolsillo γ para todos los valores de dopaje, indicando que aunque el anidamiento entre otros bolsillos aún induce apareamiento de onda s, el apareamiento más estable ocurre en presencia del bolsillo γ, según el estudio.

Los investigadores calcularon el valor propio más grande de la ecuación linealizada de Eliashberg, encontrando que en la región sobre-dopada con huecos, tanto los valores de onda s como de onda d permanecen relativamente pequeños y exhiben competencia, con la inestabilidad de apareamiento de onda d teniendo una ligera ventaja, según los resultados. Sin embargo, en la región de menor dopaje con huecos, el valor propio de onda s aumenta significativamente con el dopaje creciente, formando una estructura tipo cúpula cerca de un nivel específico de llenado de electrones, según el análisis.

El estudio empleó una malla k tan grande como 256×256 y fijó la temperatura en 0.02 electronvoltios, según los parámetros metodológicos. Para asegurar la validez del enfoque FLEX, los investigadores restringieron su discusión a casos donde la interacción U es relativamente pequeña, específicamente U=1.5 electronvoltios a lo largo del trabajo, según el documento.

Los científicos proponen que este mecanismo de mejora impulsado por el anidamiento del apareamiento inducido por fluctuaciones de espín puede ser viable para potenciar la superconductividad, según las conclusiones del estudio. El trabajo sugiere que si la constante de red del eje c puede expandirse aún más experimentalmente, probablemente sería favorable para mejorar la superconductividad de los sistemas basados en níquel, según las recomendaciones de los investigadores.

La banda derivada de dz² en películas delgadas realistas de La3Ni2O7 reportadas hasta ahora tiende a estar alejada del nivel de Fermi, según el documento. Sin embargo, los investigadores señalan que mediante la modificación ligera de la estructura de red a través de tensión en el plano, dopaje o sustitución de sustrato, el bolsillo γ podría ser "traído de vuelta" a la superficie de Fermi en nuevas realizaciones de materiales, según las proyecciones del estudio.

Si se logra en futuros experimentos, la presencia del bolsillo γ y su mecanismo de mejora propuesto en este estudio podría conducir a una temperatura de transición superconductora más alta en superconductores basados en níquel, según los autores. El hallazgo teórico se alinea con descubrimientos recientes de otros grupos de investigación sobre el apareamiento de onda s en los orbitales eg, según el documento.

La importancia del superconductor de película delgada de La3Ni2O7 a presión ambiente se extiende más allá de este material único, según el estudio. Su investigación puede no solo guiar el descubrimiento de superconductores basados en níquel con temperaturas de transición superconductora más altas bajo condiciones ambientales, sino que también sugiere que la estructura de las películas delgadas de La3Ni2O7 puede ajustarse seleccionando diferentes sustratos, según los investigadores.

Esto, en cierta medida, alivia la dificultad experimental del dopaje en sistemas basados en níquel y proporciona una nueva plataforma para obtener conocimientos más profundos sobre el mecanismo de apareamiento superconductor, según el documento. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Iniciativa Estratégica de Ciencia Cuántica Provincial de Guangdong, según los agradecimientos del estudio.

Los superconductores de níquel de fase Ruddlesden-Popper, ejemplificados por el compuesto La3Ni2O7, pueden alcanzar una temperatura de transición superconductora de hasta 80 Kelvin bajo condiciones de alta presión, según investigaciones previas citadas en el artículo. Durante los últimos dos años se ha logrado un progreso significativo tanto en caracterización experimental como en estudios teóricos de superconductores de níquel de alta presión, según el documento.

El mecanismo de superconductividad de alta temperatura ha sido durante mucho tiempo un tema central de investigación en física de materia condensada, según el estudio. En años recientes, siguiendo el descubrimiento de superconductores de cuprato y basados en hierro, la emergencia de la familia de superconductores basados en níquel ha atraído amplia atención, según el contexto proporcionado en el artículo.