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Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford dizem ter encontrado uma maneira de fazer filmes finos de um novo supercondutor de óxido de níquel que está livre de defeitos estendidos.
Isso não apenas melhora a capacidade do material de conduzir eletricidade sem perdas, disseram eles, mas também permite que eles descubram sua verdadeira natureza e propriedades, dentro e fora do estado supercondutor, pela primeira vez.
A primeira olhada em um óxido de níquel supercondutor, ou niquelato, que não tem defeitos revelou que ele é mais parecido com os cupratos – que detêm o recorde mundial de alta temperatura para supercondutividade não convencional em pressões normais – do que se pensava anteriormente. Por exemplo, quando o niquelato é ajustado para otimizar sua supercondutividade e depois aquecido acima de sua temperatura supercondutora, sua resistência ao fluxo de corrente elétrica aumenta de forma linear, assim como nos cupratos.
Essas semelhanças impressionantes, disseram eles, podem significar que esses dois materiais muito diferentes atingem a supercondutividade da mesma maneira.
É o passo mais recente em uma busca de 35 anos para desenvolver supercondutores que possam operar próximo à temperatura ambiente, o que revolucionaria a eletrônica, o transporte, a transmissão de energia e outras tecnologias, permitindo que eles operem sem resistência elétrica que desperdiça energia.
A equipe de pesquisa, liderada por Harold Hwang, diretor do Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) no SLAC, descreveu seu trabalho hoje na revista Natureza.
“Os filmes de níquel são realmente instáveis e, até agora, nossos esforços para estabilizá-los sobre outros materiais produziram defeitos que são como lombadas para elétrons”, disse Kyuho Lee, pesquisador de pós-doutorado do SIMES que contribuiu para a descoberta da supercondutividade em níquel quatro anos atrás e tem trabalhado neles desde então.
“Essas questões de qualidade levaram a muitos debates e questões em aberto sobre as propriedades do níquel, com grupos de pesquisa relatando resultados muito variados”, disse Lee. “Portanto, eliminar os defeitos é um avanço significativo. Isso significa que podemos finalmente abordar a física subjacente por trás desses materiais e por trás da supercondutividade não convencional em geral.”
Química de Jenga e um ajuste perfeito
Os defeitos, que são um pouco como dentes de zíper desalinhados, surgem do mesmo processo inovador que permitiu à equipe de Hwang criar e estabilizar um filme de níquel em primeiro lugar.
Eles começaram fazendo um material comum conhecido como perovskita. Eles o “dopararam” para alterar sua condutividade elétrica e depois o expuseram a uma substância química que habilmente removeu camadas de átomos de oxigênio de sua estrutura molecular, como se removesse um graveto de uma torre de blocos de Jenga. Sem as camadas de oxigênio, o filme se estabeleceu em uma nova estrutura – conhecida como níquel de camada infinita – que pode hospedar supercondutividade.
A treliça atômica dessa nova estrutura ocupava uma área de superfície ligeiramente maior que a original. Com isso em mente, eles construíram o filme sobre uma base, ou substrato, que seria um bom ajuste para o produto acabado e espalhado, disse Lee.
Mas não combinava com a rede atômica do material inicial, que desenvolveu defeitos ao tentar se encaixar confortavelmente no substrato – e essas imperfeições foram transferidas para o níquel acabado.
Hwang disse que é como se dois amigos de tamanhos diferentes tivessem que dividir um casaco. Se o casaco coubesse perfeitamente no amigo menor, o maior teria dificuldade em fechá-lo. Se coubesse perfeitamente no amigo maior, penduraria como uma barraca no menor e deixaria o frio entrar. Um tamanho intermediário pode não ser o melhor para nenhum deles, mas é próximo o suficiente para mantê-los aquecidos e feliz.
Essa é a solução que Lee e seus colegas buscaram.
Em uma série de experimentos meticulosos, eles usaram um substrato que era como o revestimento intermediário. A estrutura atômica de sua superfície foi ajustada o suficiente para os materiais inicial e final, de modo que o níquel acabado saiu sem defeitos. Lee disse que a equipe já está começando a ver algumas físicas interessantes no níquel, agora que o sistema está muito mais limpo.
“O que isso significa”, disse Hwang, “é que estamos chegando cada vez mais perto de medir as propriedades intrínsecas desses materiais. E ao compartilhar os detalhes de como produzir niquelados sem defeitos, esperamos beneficiar o campo como um todo. .”
Pesquisadores da Cornell University contribuíram para este trabalho, que foi financiado pelo DOE Office of Science e pela Gordon and Betty Moore Foundation’s Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative.
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