Nuove scoperte sulla superconduttività del LaNiO

La scoperta di un superconduttore con una temperatura critica di circa 80 K in un composto chiamato LaNiO sotto alta pressione ha generato un sacco di entusiasmo nella comunità scientifica. Questo composto fa parte di una famiglia di materiali conosciuti come nickelati. Ci sono anche prove che un altro nickelato, LaNiO, mostra Superconduttività quando sottoposto ad alta pressione, con temperature critiche tra 20-30 K. Capire questi fenomeni richiede un modello che descriva accuratamente le proprietà chiave di questi materiali.

Recenti ricerche suggeriscono che LaNiO potrebbe operare in un "regime di Trasferimento di Carica", che è diverso dalle teorie già stabilite che si concentravano principalmente sul nichel e i suoi stati elettronici. In questa nuova visione, sembra che i vuoti, che si creano quando vengono rimossi gli elettroni, entrino effettivamente negli orbitali dell'ossigeno invece che solo in quelli del nichel. Questa scoperta complica le teorie esistenti e richiede una nuova comprensione di come si comportano questi materiali.

#Sfondo Teorico

Per dare un senso a ciò che sta succedendo in LaNiO, i ricercatori hanno proposto un modello a bassa energia che considera il comportamento sia degli atomi di nichel che di ossigeno. Nello stato naturale del nichel in LaNiO, ha una disposizione elettronica specifica. Quando vengono introdotti i vuoti, interagiscono con gli spin degli atomi di nichel, e questa interazione porta a un comportamento inaspettato rispetto ad altri materiali simili, come i cuprati.

A differenza dei cuprati, dove i vuoti dopati creano uno stato di singoletto, la situazione in LaNiO è diversa. I vuoti dopati schermano lo spin dell'atomo di nichel fino a uno stato di "spin-mezzo", invece di zero. Questo significa che invece di capovolgere completamente lo spin, si dimezza, portando a quello che i ricercatori chiamano uno stato di "spin-mezzo di Zhang-Rice".

Guardando queste interazioni, gli scienziati hanno sviluppato un modello efficace che include sia gli atomi di nichel che di ossigeno. Questo modello mostra che a pressioni moderate, l'orbitale dominante coinvolto è effettivamente uno degli orbitali in piano dell'ossigeno. Tuttavia, c'è ancora un limite su quanto possa avvenire il salto tra i due strati del materiale, che è diverso rispetto ad altri superconduttori noti.

#Esperimenti e Risultati

Per studiare questi comportamenti, i ricercatori hanno usato una tecnica conosciuta come simulazione del gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità (DMRG). Queste simulazioni hanno rivelato un "domo di accoppiamento", indicando che c'è un livello ottimale a cui i vuoti dovrebbero essere dopati per massimizzare la superconduttività. Le condizioni per i dopaggi ottimali in LaNiO sono diverse rispetto a quelle dei cuprati.

Con l'aumento della pressione, la temperatura critica aumenta anche fino a un certo punto, dopo il quale ulteriori aumenti di pressione portano a una diminuzione della superconduttività. Questo cambiamento si verifica perché la natura degli orbitali cambia sotto pressione, il che a sua volta influisce sull'accoppiamento degli elettroni.

I ricercatori hanno anche esteso le loro scoperte a una versione trilayer di LaNiO, suggerendo che questo modello potrebbe essere usato per descrivere come si comportano i nickelati trilayer in condizioni simili.

#Differenze Chiave dai Cuprati

Una delle principali distinzioni tra nickelati bilayer come LaNiO e cuprati risiede nella configurazione elettronica del nichel. Negli nickelati non dopati, l'atomo di nichel mantiene un momento di spin uno grazie alla presenza di due elettroni negli orbitali. Quando vengono introdotti i vuoti, interagiscono con gli orbitali dell'ossigeno ma non neutralizzano completamente lo spin del nichel.

Questa situazione presenta uno scenario unico dove possono sorgere stati di spin-mezzo. L'interazione tra i vuoti dopati e gli spin degli atomi di nichel porta a nuovi fenomeni fisici che non si osservano nei cuprati dopati a vuoti, dove si verifica un meccanismo di accoppiamento diverso.

#Modello di Trasferimento di Carica

Per approfondire le dinamiche di trasferimento di carica nel bilayer di LaNiO, i ricercatori si sono concentrati su un modello che include tre orbitali di ossigeno con due orbitali di nichel. Analizzando una singola cella unitaria contenente due atomi di nichel e diversi atomi di ossigeno, sono riusciti a caratterizzare come i vuoti entrano nel sistema e come gli spin sono accoppiati.

L'Hamiltoniano di trasferimento di carica delinea essenzialmente come i vuoti interagiscono all'interno di questo sistema. La teoria si basa su un limite di accoppiamento forte, per cui i vuoti occupano principalmente gli orbitali dell'ossigeno e si accoppiano fortemente con gli spin localizzati del nichel. Questa interazione guida la formazione dello stato di spin-mezzo di Zhang-Rice.

All'interno di questo modello, gli stati energetici del sistema possono essere derivati in base a diverse disposizioni di vuoti attraverso gli orbitali. A seconda di come questi livelli energetici si allineano, il sistema può mostrare vari comportamenti indicativi di superconduttività.

#Risultati della Simulazione

Le simulazioni DMRG hanno fornito intuizioni sul gap di spin e su come varia in diverse condizioni. Questi risultati evidenziano il ruolo dei livelli di Doping nel determinare le proprietà superconduttrici di LaNiO. Man mano che i ricercatori variavano le condizioni, hanno osservato schemi che suggeriscono un crossover da Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) a condensato di Bose-Einstein (BEC).

In termini più semplici, significa che man mano che vengono introdotti più vuoti, il modo in cui si accoppiano cambia, contribuendo allo stato superconduttivo complessivo. I ricercatori hanno notato che anche con l'aumento della pressione e il cambiamento delle condizioni, alcune caratteristiche rimangono stabili, sottolineando la robustezza del meccanismo di accoppiamento all'interno di questi materiali.

#Doping e Gap di Accoppiamento

Il comportamento di LaNiO sotto vari livelli di doping ha mostrato che esiste una struttura a forma di cupola nel gap di accoppiamento come funzione diretta dei rapporti di doping. All'inizio, aumentando il doping tende a migliorare la superconduttività, creando un ambiente dove le coppie di elettroni si formano più facilmente. Tuttavia, una volta superato il livello di doping ottimale, l'accoppiamento inizia a indebolirsi.

Il ruolo della pressione gioca anche un ruolo critico in questa dinamica. Inizialmente, con l'aumento della pressione, l'energia di legame aumenta, suggerendo formazioni di coppie più forti. Alla fine, si verifica una transizione dove i livelli energetici si spostano, e il focus si sposta da un tipo di orbitali a un altro, influenzando infine come la superconduttività si esprime in questi materiali.

#Nickelati Trilayer

L'analisi non è limitata ai bilayer. I ricercatori hanno anche iniziato a indagare i nickelati trilayer, dove sono presenti tre strati di nichel e ossigeno. Le interazioni tra gli strati generano nuove dinamiche che meritano ulteriori esplorazioni.

Nel modello trilayer, l'Hamiltoniano di trasferimento di carica efficace può essere adattato per tenere conto della complessità aggiuntiva di avere tre strati. Isolando le interazioni e gli stati chiave, i ricercatori potrebbero derivare un nuovo modello per i trilayer, che rispecchia le scoperte nelle strutture bilayer ma tiene conto di nuove interazioni orbitale.

Questa inclusione di strati aggiuntivi fornisce una fisica più ricca e potrebbe portare a applicazioni e scoperte interessanti in futuro.

#Conclusione

In sintesi, il lavoro attorno a LaNiO e le sue proprietà superconduttrici sotto pressione rappresenta un salto significativo nella comprensione di questi materiali complessi. Proponendo un modello che integra i contributi sia degli atomi di nichel che di ossigeno, i ricercatori stanno iniziando a svelare la fisica più profonda in gioco nei nickelati. I risultati suggeriscono che il comportamento di questi materiali è molto più intricato di quanto si pensasse in precedenza, e aprono la strada a ulteriori indagini sulla superconduttività ad alta temperatura.

Le intuizioni ottenute dallo studio delle configurazioni bilayer e trilayer evidenziano una comprensione crescente di come diversi fattori come pressione, doping e disposizioni orbitale possano svolgere ruoli fondamentali nello stato superconduttivo. Questi sviluppi non solo migliorano la nostra comprensione dei nickelati, ma potrebbero anche portare a progressi nella scienza dei materiali e potenziali applicazioni nelle tecnologie superconduttrici.