Gli elettroni “Oscuri” possono spiegare la superconduttività ad alte temperature

Gli elettroni “oscuri” all’interno dei materiali solidi possono aiutarci a saperne di più sul comportamento dei superconduttori ad alta temperatura e forse a risolvere altri misteri della scienza dei materiali. Il paper in cui è contenuta questa spiegazione è stato pubblicato su Nature Physics.

La maggior parte delle proprietà di un materiale, come la facilità con cui conduce l’elettricità o riflette la luce, sono dettate dal movimento dei suoi elettroni. Un modo per determinare queste proprietà è la spettroscopia: si illumina un materiale e si analizza lo spettro della luce che rimbalza per rivelare quali frequenze vengono assorbite o riflesse.

Però la spettroscopia non può raccontare tutta la storia. Per alcuni semplici atomi e molecole, non tutti gli elettroni appaiono nello spettro, anche se influenzano comunque le loro proprietà fisiche. I ricercatori hanno scoperto che questi cosiddetti “stati oscuri” si verificano solo quando gli elettroni hanno energie nettamente diverse, che permettono loro di interferire e annullare il segnale reciproco, ma in un solido, dove ci sono molti elettroni diversi che non possono essere facilmente separati in questo modo, si pensava che questi stati oscuri non esistessero.

Ora, Keun Su Kim della Yonsei University in Corea del Sud e i suoi colleghi hanno dimostrato che non è così, rilevando questi elettroni nascosti in materiali molto più complessi, tra cui una perovskite di piombo, che è un cristallo usato come cella solare, e un superconduttore ad alta temperatura di bismuto e rame. “Kim e il suo team hanno identificato per la prima volta gli stati oscuri

in un cristallo chiamato diseleniuro di palladio, che hanno scelto per la sua struttura unica. Il cristallo presenta due schemi ripetuti di atomi, costituiti da un atomo di palladio circondato da quattro atomi di selenio, che sono leggermente ruotati l’uno rispetto all’altro in tutto il materiale. Quando hanno misurato questo cristallo con la spettroscopia, hanno trovato lacune mancanti nello spettro risultante che non erano state previste dalle teorie standard, indicando la presenza di stati oscuri.

Il team ha scoperto che i due schemi di ripetizione degli atomi fanno sì che gli elettroni dei diversi elementi si separino abbastanza da poter interferire. I ricercatori hanno sviluppato un modello per prevedere le energie degli elettroni che includevano questo effetto e l’hanno poi utilizzato per prevedere che si sarebbe dovuto manifestare anche in materiali dalla struttura simile, come una perovskite di piombo e un superconduttore di bismuto e rame.

Questi elettroni nascosti potrebbero aiutare a risolvere un annoso dibattito per capire perché alcuni materiali sembrano essere superconduttori, che permettono all’elettricità di fluire senza resistenza, a temperature molto più alte di quelle previste dalla teoria standard.

Una possibile soluzione era rappresentata dalle misteriose energie mancanti degli elettroni trovati nei superconduttori, ma non c’era una ragione ovvia. Ora che è possibile spiegarle, dice Kim, potremo sviluppare modelli migliori che potrebbero essere utilizzati per trovare nuovi materiali superconduttori.

Poiché l’effetto è piuttosto generale, potrebbe influenzare un’ampia gamma di proprietà dei materiali che i ricercatori non hanno notato in precedenza, dice Cephise Cacho della Diamond Light Source nell’Oxfordshire, Regno Unito. Trovare livelli energetici mancanti è relativamente comune, ma è molto più difficile spiegarne il motivo, dice Cacho: la spiegazione di Kim e del suo team sui reticoli interferenti potrebbe aiutare a colmare questa lacuna.