Óxidos de níquel: análogos de los cupratos superconductores

Los compuestos superconductores que a condiciones ambiente tienen una temperatura crítica más elevada, por encima de la temperatura del nitrógeno líquido, son los óxidos laminares de cobre. A pesar de que su descubrimiento se remonta 30 años atrás, todavía no disponemos de una teoría de la superconductividad de alta temperatura con capacidad predictiva, en gran medida porque el propio mecanismo que da lugar a la misma es fuente de enorme debate en la comunidad.

Por ello, una de las herramientas más eficaces para entender qué es lo que hace especiales a los óxidos laminares de cobre es buscar sistemas con el mayor número de similitudes con ellos posible. Algunos de los ingredientes que presentan los cupratos son: i) red cuadrada planar de cationes de Cu2+ (con 9 electrones en su capa externa de 10 posibles, es decir, un hueco), ii) acoplo antiferromagnético fuerte de sus espines, iii) estructura cuasi bidimensional, iv) aparición de la superconductividad cuando se dopa, es decir, cuando se cambia ligeramente el número de electrones / huecos en su capa más externa.

El candidato más claro a ser un análogo de los cupratos son los óxidos de níquel: el ión Ni+ tiene 9 electrones, al igual que el Cu2+ y también forma óxidos laminares. Por ello, en la última década la comunidad ha fijado su atención en óxidos cuasi bidimensionales donde es posible reducir la valencia del catión Ni hasta valores cercanos a Ni+ (1.33+ en La4Ni3O8 y 1.5+ en La3Ni2O6). Desafortunadamente, ambos compuestos son aislantes. Recientemente[1], científicos del Argonne National Laboratory liderados por John F. Mitchell han sido capaces de sintetizar cristales de Pr4Ni3O8, el análogo más cercano conocido a los cupratos superconductores. La sustitución de La por Pr da lugar a una fase metálica con estructura electrónica idéntica a la de los óxidos de cobre, pero a un llenado de la última banda ligeramente distinto del que da lugar a superconductividad de alta temperatura en cupratos. Así lo demuestran los estudios de estructura electrónica realizados por Antía S. Botana, Víctor Pardo y Michael R. Norman, desde el punto de vista computacional, y John W. Freeland mediante estudios de espectroscopía.

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La siguiente cuestión es cómo alcanzar el llenado electrónico que podría dar lugar a superconductividad. Un estudio de primeros principios reciente[2] llevado a cabo por el mismo equipo muestra que dopando con Ce en el sitio del Pr, éste adquiere preferentemente una valencia Ce4+. De poder introducirse manteniendo la estructura, algo factible de acuerdo con los modelos computacionales, daría lugar al análogo más cercano conocido de los cupratos superconductores.

La carrera está en marcha para obtener muestras que demuestren si estos óxidos de níquel son superconductores y, de no serlo, para explicar qué los diferencia de los cupratos. Quizá la clave para desvelar el mecanismo superconductor de los óxidos de cobre esté más cerca que nunca.

 

[1] Junjie Zhang, Antía S. Botana, John W. Freeland, D. Phelan, Hong Zheng, Victor Pardo, Michael R. Norman, John F. Mitchell, “Large orbital polarization in a metallic square-planar nickelate”, aceptado en Nature Physics (2017). DOI: 10.1038/nphys4149

[2] Antía S. Botana, Víctor Pardo, Michael R. Norman, “Electron-doped layered nickelates: spanning the phase diagram of the cuprates”, aceptado en Physical Review Materials (2017). arxiv:1705.01632 (2017).