Aperta una nuova area di studio per raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente

I ricercatori  dello SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University,  hanno fatto una scoperta rivoluzionaria che potrebbe portare alla creazione di superconduttori in grado di funzionare a temperature più elevate.

Hanno rilevato l’accoppiamento degli elettroni, una caratteristica cruciale della superconduttività, che si verifica a temperature precedentemente considerate troppo elevate per questo fenomeno.

Sorprendentemente, il fenomeno è stato osservato in un isolante antiferromagnetico, un tipo di materiale che meno ci si aspettava potesse esibire tale comportamento, perché appunto utilizzato per isolare dagli effetti elettromagnetici.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science.

Anche se il materiale non ha dimostrato di possedere una resistenza pari a zero, caratteristica che contraddistingue la superconduttività, questa scoperta apre nuove possibilità di sviluppare materiali simili in superconduttori in grado di funzionare a temperature più elevate.

La danza degli elettroni

Nell’ultimo secolo gli scienziati hanno imparato molto sul funzionamento dei superconduttori. Sanno che, affinché un materiale sia superconduttore, gli elettroni devono accoppiarsi e che queste coppie devono essere coerenti – i loro movimenti devono essere sincronizzati.

Ke-Jun Xu, studente laureato a Stanford e coautore del lavoro, ha usato un’analogia per spiegare il fenomeno.

“Le coppie di elettroni ci dicono che sono pronte a diventare superconduttrici, ma qualcosa le ferma”, ha detto.

“Se riuscissimo a trovare un nuovo metodo per sincronizzare le coppie, potremmo applicarlo per costruire superconduttori a temperature più elevate”.

Interpretazione grafiica di come gli elettroni possono passare dal non essere sincroni al’essere sincroni nella superconduttività

Superconduttori convenzionali e non convenzionali

I superconduttori convenzionali, che sono ben conosciuti, funzionano a temperature tipicamente vicine allo zero assoluto.

In questi materiali, le vibrazioni del reticolo fanno sì che gli elettroni si accoppino e “danzino” in modo sincronizzato.

I superconduttori non convenzionali, invece, funzionano a temperature molto più elevate.

In questi materiali, si ritiene che qualcosa di più delle vibrazioni reticolari aiuti ad accoppiare gli elettroni. Sebbene i ricercatori non sappiano esattamente cosa ci sia dietro, il candidato principale è la fluttuazione degli spin degli elettroni.

Lo studio attuale

Nello studio attuale, i ricercatori si sono concentrati su una famiglia di cuprati che non era stata studiata a fondo perché la sua temperatura massima di superconduzione era relativamente bassa rispetto ad altri cuprati.

I ricercatori hanno utilizzato la luce ultravioletta su campioni di materiale cuprato per studiarne la struttura atomica. Questo processo provoca l’emissione di elettroni dal materiale.

Quando questi elettroni sono in uno stato appaiato, sono un po’ più difficili da espellere, creando un “gap energetico”.

Questo gap è rimasto presente fino a 150 Kelvin, indicando che l’appaiamento degli elettroni avviene a temperature significativamente più elevate rispetto allo stato di resistenza zero, che appare a circa 25 Kelvin.

Una nuova strada di studio e di ricerca

Anche se il cuprato oggetto dello studio potrebbe non essere il materiale in grado di raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente, i risultati aprono una strada potenzialmente nuova.

“I nostri risultati aprono una strada potenzialmente ricca di novità. Abbiamo in programma di studiare questo gap di accoppiamento in futuro per aiutare a progettare superconduttori con nuovi metodi”, ha concluso Zhi-Xun Shen, professore di Stanford che ha supervisionato la ricerca.