Superconduttività migliorata nei film sottili bilayer di nichelato sottoposti a compressione tramite pressione

Perché comprimere questi materiali è importante

I superconduttori sono materiali in grado di condurre elettricità senza resistenza, promettendo linee di trasmissione ultra-efficienti, elettronica più veloce e magneti potenti. Ma la maggior parte dei superconduttori noti funziona solo a temperature molto basse, rendendone difficile l’uso nelle tecnologie di tutti i giorni. Una nuova classe di materiali a base di nichel, i cosiddetti nichelati bilayer, ha recentemente mostrato superconduttività a temperature superiori al punto di ebollizione dell’azoto liquido quando vengono sottoposti ad alta pressione. Questo studio pone una domanda semplice ma cruciale: è possibile ottenere una superconduttività ancora migliore combinando l’effetto di una deformazione indotta dal substrato con la pressione esterna in film di nichelato ultra-sottili?

Costruire un delicato “sandwich” di atomi

I ricercatori hanno progettato un sottile “sandwich” composto da due strati affini di nichelato depositati su un substrato cristallino. Un layer contiene lantanio, praseodimio e nichel; l’altro include una piccola quantità di stronzio. Questa struttura è naturalmente soggetta a una deformazione compressiva nello piano dovuta al substrato SrLaAlO₄, che leggermente schiaccia il film in direzione orizzontale e lo allunga verticalmente. Misure ai raggi X hanno confermato che il reticolo del film è compresso di circa il 2% nel piano e allungato di circa l’1,5% lungo la direzione verticale, formando una struttura bilayer stabile di poche celle unitarie di spessore. Misure di trasporto hanno mostrato che a pressione ambiente questi film sono metallici e diventano superconduttori con temperature di onset comprese indicativamente tra 21 e 34 kelvin, sorprendentemente stabili anche dopo un mese all’aria.

Regolare la pressione per migliorare le prestazioni

Per verificare come la pressione modula la superconduttività, il team ha compresso i film usando due tipi di celle ad alta pressione, raggiungendo fino a 13 gigapascal, ossia più di 100.000 volte la pressione atmosferica. A pressioni modeste fino a circa 2,6 GPa, la resistenza elettrica nello stato normale (non superconduttivo) è diminuita e la temperatura di onset della superconduttività è aumentata costantemente da circa 29 K a circa 35 K.

Da buon metallo a isolante debole

La pressione ha modificato anche il comportamento dei film appena sopra la transizione superconduttiva. A pressioni più basse i film mostravano un comportamento metallico, con la resistenza che aumentava in modo regolare con la temperatura. Superando circa 9 GPa, lo stato normale a basse temperature ha iniziato a mostrare un comportamento debolmente isolante: la resistenza ha cominciato a salire al diminuire della temperatura, seguendo una lenta tendenza logaritmica. Questo crossover da comportamento metallico a debolmente isolante è avvenuto a una pressione quasi coincidente con quella in cui la temperatura superconduttiva ha raggiunto il massimo e poi ha iniziato a decrescere. Gli autori sostengono che questa insolita tendenza verso un comportamento isolante sia una caratteristica intrinseca dei film bilayer deformati sotto forte compressione, probabilmente collegata a instabilità elettroniche emergenti come un ordine simile a un density wave, piuttosto che a semplici difetti o danni indotti dal mezzo di pressione.

Cosa dice la teoria su quello che avviene all’interno

Per comprendere l’origine microscopica di questi cambiamenti, il team ha eseguito calcoli avanzati della struttura elettronica modellando un film il cui reticolo in piano è vincolato dal substrato. Nell’ambito di questo modello, l’applicazione della pressione riduce principalmente la distanza tra i due strati nickel-ossigeno, piuttosto che modificare gli angoli di legame in piano come avviene nei cristalli bulk. Con l’avvicinarsi degli strati verticali, una banda di energia piatta con forte carattere orbitale fuori dal piano (il cosiddetto pocket γ) si avvicina al livello di Fermi e acquisisce larghezza di banda, mentre gli elettroni si ridistribuiscono tra orbitali nickel diversi. Questo aumenta l’ibridazione tra orbitali in piano e fuori piano, accresce il carattere metallico complessivo e rafforza le fluttuazioni di spin magnetiche sia all’interno di ciascun layer sia tra i due layer. Questi effetti cooperativi sono noti per fornire il “collante” per l’accoppiamento elettronico nei superconduttori non convenzionali, spiegando naturalmente perché la temperatura superconduttiva cresce con la pressione e poi si satura una volta che tali cambiamenti si stabilizzano.

Cosa significa per il futuro

In termini semplici, questo lavoro mostra che comprimere film bilayer di nichelato già deformati offre alla natura una geometria più favorevole alla superconduttività: i due strati attivi si avvicinano, i loro elettroni si mescolano più intensamente e le fluttuazioni magnetiche diventano più efficaci nell’unire gli elettroni in coppie che trasportano corrente senza perdite. Il risultato è un notevole aumento della temperatura di onset superconduttiva da circa 30 K a quasi 50 K, insieme a indizi chiari su come evolve la struttura elettronica sotto pressione. Queste intuizioni suggeriscono che controllando con cura sia la deformazione sia la pressione — o imitando i loro effetti tramite progettazione chimica — potrebbe essere possibile spingere i superconduttori a base di nichelato verso temperature di funzionamento ancora più elevate e avvicinarli alle applicazioni nel mondo reale.

Citazione: Li, Q., Sun, J., Bötzel, S. et al. Enhanced superconductivity in the compressively strained bilayer nickelate thin films by pressure. Nat Commun 17, 3276 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69660-1

Parole chiave: superconduttori a nichelato, film sottili, alta pressione, ingegneria di deformazione, correlazioni elettroniche