Dal MIT una scoperta fondamentale nel campo dei superconduttori

Uno studio del Massachusetts Institute of Technology getta una luce sorprendente sul modo in cui alcuni superconduttori subiscono una “transizione nematica”, sbloccando un nuovo comportamento superconduttivo. I risultati potrebbero aiutare a identificare materiali superconduttori non convenzionali.

In determinate condizioni – di solito molto fredde – alcuni materiali modificano la loro struttura per sbloccare un nuovo comportamento superconduttivo. Questo cambiamento strutturale è noto come “transizione nematica” e i fisici sospettano che offra un nuovo modo di portare i materiali in uno stato superconduttivo in cui gli elettroni possono fluire senza attrito.

Ma cosa determina esattamente questa transizione? I fisici del MIT hanno identificato la chiave del modo in cui una classe di superconduttori subisce la transizione nematica, in sorprendente contrasto con quanto molti scienziati avevano ipotizzato.

I fisici hanno fatto la loro scoperta studiando il seleniuro di ferro (FeSe), un materiale bidimensionale che è il superconduttore a base di ferro a più alta temperatura. Il materiale è noto per passare allo stato superconduttore a temperature fino a 70 kelvin (circa – 200 Celsius). Pur essendo ancora ultrafredda, questa temperatura di transizione è superiore a quella della maggior parte dei materiali superconduttori.

Più alta è la temperatura a cui un materiale può mostrare superconduttività, più promettente può essere il suo utilizzo nel mondo reale, ad esempio per realizzare potenti elettromagneti per macchine MRI più precise e leggere o treni ad alta velocità a levitazione magnetica.

Per queste e altre possibilità, gli scienziati dovranno innanzitutto capire che cosa determina un interruttore nematico nei superconduttori ad alta temperatura come il seleniuro di ferro. In altri materiali superconduttori a base di ferro, gli scienziati hanno osservato che questo interruttore si verifica quando singoli atomi spostano improvvisamente il loro spin magnetico verso una direzione magnetica coordinata e preferita.

Ma il team del MIT ha scoperto che il seleniuro di ferro cambia attraverso un meccanismo completamente nuovo. Invece di subire uno spostamento coordinato degli spin, gli atomi del seleniuro di ferro subiscono uno spostamento collettivo dell’energia dei loro orbitali. È una distinzione sottile, ma che apre una nuova porta alla scoperta di superconduttori non convenzionali.

Riccardo Comin, professore associato di fisica del MIT classe 1947, ha dichiarato: “Il nostro studio rimescola un po’ le carte in tavola per quanto riguarda il consenso che si è creato su ciò che guida la nematicità. Ci sono molti percorsi per arrivare alla superconduttività non convenzionale. Questo offre un’ulteriore strada per realizzare stati superconduttori”.

Comin e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati in uno studio apparso su Nature Materials. Tra i coautori del MIT figurano Connor Occhialini, Shua Sanchez e Qian Song, oltre a Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim e Philip Ryan dell’Argonne National Laboratory.

Seguire un filo

Il termine “nematicità” deriva dalla parola greca “nema”, che significa “filo”, ad esempio per descrivere il corpo filiforme del verme nematode. La nematicità è usata anche per descrivere fili concettuali, come i fenomeni fisici coordinati. Per esempio, nello studio dei cristalli liquidi, il comportamento nematico può essere osservato quando le molecole si assemblano in linee coordinate.
Negli ultimi anni, i fisici hanno usato la nematicità per descrivere uno spostamento coordinato che porta un materiale allo stato di superconduttore. Le forti interazioni tra gli elettroni fanno sì che il materiale nel suo complesso si allunghi infinitamente in una particolare direzione che permette agli elettroni di fluire liberamente in quella direzione. La domanda principale è quale sia il tipo di interazione che provoca l’allungamento. In alcuni materiali a base di ferro, l’allungamento sembra essere determinato da atomi che spostano spontaneamente i loro spin magnetici nella stessa direzione. Gli scienziati hanno quindi ipotizzato che la maggior parte dei superconduttori a base di ferro effettui la stessa transizione guidata dagli spin.

Ma il seleniuro di ferro sembra andare contro questa tendenza. Il materiale, che passa allo stato superconduttore alla temperatura più alta di tutti i materiali a base di ferro, sembra anche non avere un comportamento magnetico coordinato.

“Il seleniuro di ferro ha la storia meno chiara di tutti questi materiali”, ha detto Sanchez, che è un postdoc del MIT e borsista NSF MPS-Ascend. “In questo caso, non c’è un ordine magnetico. Quindi, per capire l’origine della nematicità è necessario osservare con molta attenzione come gli elettroni si dispongono intorno agli atomi di ferro e cosa succede quando questi atomi si allontanano”.

Un supercontinuo

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno lavorato con campioni ultrasottili e millimetrici di seleniuro di ferro, che hanno incollato a una sottile striscia di titanio. Hanno imitato l’allungamento strutturale che si verifica durante una transizione nematica allungando fisicamente la striscia di titanio, che a sua volta ha allungato i campioni di seleniuro di ferro. Allungando i campioni di una frazione di micron alla volta, hanno cercato le proprietà che si spostavano in modo coordinato.

Utilizzando raggi X ultra luminosi, il team ha monitorato il movimento degli atomi in ciascun campione e il comportamento degli elettroni di ciascun atomo. Dopo un certo punto, hanno osservato uno spostamento definito e coordinato negli orbitali degli atomi. Gli orbitali atomici sono essenzialmente livelli energetici che gli elettroni di un atomo possono occupare. Nel seleniuro di ferro, gli elettroni possono occupare uno dei due stati orbitali attorno a un atomo di ferro. Normalmente, la scelta dello stato da occupare è casuale. Ma il team ha scoperto che, allungando il seleniuro di ferro, i suoi elettroni hanno iniziato a preferire in modo schiacciante uno stato orbitale rispetto all’altro. Ciò segnalava un cambiamento chiaro e coordinato, insieme a un nuovo meccanismo di nematicità e superconduttività.

“Quello che abbiamo dimostrato è che ci sono diverse fisiche di fondo quando si tratta di spin e nematicità orbitale, e ci sarà un continuum di materiali che vanno tra i due”, dice Occhialini, uno studente laureato del MIT. “Capire dove ci si trova in questo panorama sarà importante per cercare nuovi superconduttori”.