Riassunto:
Gli scienziati hanno compiuto nuovi progressi nel campo della ricerca sulla superconduttività ad alta temperatura. Un gruppo di ricerca internazionale dell’Università di Bristol nel Regno Unito, dell’Università di Radboud nei Paesi Bassi e di importanti istituzioni in Cina e negli Stati Uniti ha trovato prove sperimentali a sostegno di un’importante teoria: in un tipo di materiale superconduttore cuprato ad alta temperatura, le fluttuazioni di spin tra gli elettroni possono svolgere un ruolo chiave nel processo di accoppiamento degli elettroni. Questo studio, pubblicato su Nature Physics, fornisce nuove prove per comprendere il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura, ma i ricercatori hanno sottolineato che c'è ancora molta strada da fare prima di spiegare completamente il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura.
La superconduttività si riferisce al fenomeno per cui la resistenza di alcuni materiali scende a zero dopo essere scesi al di sotto di una determinata temperatura critica e la corrente può continuare a fluire senza perdite di resistenza convenzionali. Questa proprietà rende i materiali superconduttori preziosi in campi come i magneti ad alte prestazioni, le apparecchiature mediche per la risonanza magnetica, gli strumenti di misurazione di precisione e l'efficiente trasmissione di potenza. Tuttavia, molti materiali superconduttori devono funzionare a temperature estremamente basse, e i costi di refrigerazione e la complessità ingegneristica ne limitano l’uso diffuso. Pertanto, la ricerca di materiali in grado di raggiungere la superconduttività a temperature più elevate e il chiarimento dei meccanismi fisici alla base di essi sono sempre stati importanti direzioni di ricerca nella fisica della materia condensata.
La teoria tradizionale della superconduttività è stata fondata a metà del XX secolo. La teoria BCS proposta da Bardeen, Cooper e Schriever spiega il principio di funzionamento di molti superconduttori convenzionali: le vibrazioni del reticolo nel materiale possono promuovere indirettamente la formazione di coppie di elettroni e queste coppie di elettroni entrano congiuntamente in uno stato superconduttore con coerenza quantistica macroscopica.
Tuttavia, l'emergere dei superconduttori cuprati ad alta temperatura ha messo in discussione questa teoria. Nel 1986, gli scienziati scoprirono un materiale a base di ossido di rame che poteva supercondurre a temperature significativamente più elevate della temperatura critica dei superconduttori tradizionali. Da allora, la temperatura critica di questo tipo di materiale ha continuato ad aumentare e alcuni materiali possono raggiungere circa 150 Kelvin, ovvero circa meno 123 gradi Celsius, a pressione normale. Sebbene questa temperatura sia ancora ben al di sotto della temperatura ambiente, ha abbassato significativamente la soglia di refrigerazione necessaria per raggiungere la superconduttività.
Il problema è che i ricercatori non hanno ancora compreso appieno il meccanismo mediante il quale gli elettroni nell'ossido di rame formano uno stato accoppiato in grado di produrre superconduttività. Gli scienziati hanno proposto una varietà di teorie, una delle opinioni più importanti è che la fluttuazione collettiva degli spin degli elettroni può produrre un'attrazione efficace tra gli elettroni e aiutarli a formare coppie.
Lo spin dell'elettrone può essere approssimativamente inteso come una proprietà quantistica intrinseca degli elettroni, correlata al magnetismo. La rotazione degli elettroni nei materiali non rimane sempre statica, ma può subire cambiamenti complessi nel tempo e nello spazio. Si ritiene che le fluttuazioni di spin formate da questi cambiamenti siano potenzialmente coinvolte nella formazione di superconduttività ad alta temperatura. I ricercatori sono già stati in grado di misurare in dettaglio le fluttuazioni di spin e carica negli ossidi di rame, ma manca una prova fondamentale: in che modo la forza dell’interazione tra gli elettroni e queste fluttuazioni sono correlate alla temperatura critica del materiale superconduttore?
Per rispondere a questa domanda, il team di ricerca ha preparato uno speciale campione di pellicola. I ricercatori hanno utilizzato ossidi di lantanio, cerio e rame come materiali di base e hanno formato una pellicola sottile con un gradiente di composizione uniforme sul substrato attraverso la deposizione strato per strato, in modo che il materiale passi gradualmente da una temperatura critica più elevata a non più superconduttore lungo la lunghezza del campione.
Questo progetto consente ai ricercatori di confrontare il comportamento resistivo in diverse condizioni all'interno dello stesso campione e di analizzare la relazione tra la diffusione degli elettroni e la temperatura critica dei superconduttori. Il gruppo di ricerca ha poi combinato i risultati di esperimenti su campi magnetici elevati e altre misurazioni e ha scoperto che i dati supportavano l’idea che le fluttuazioni di spin sono coinvolte nell’accoppiamento degli elettroni, fornendo prove sperimentali che in precedenza mancavano per questa teoria.
Tuttavia, i ricercatori non sostengono che tutti i misteri della superconduttività ad alta temperatura siano stati risolti. La ricerca riguarda superconduttori di ossido di rame drogato con elettroni e nella famiglia dei cuprati c'è un'altra situazione importante: cambiare le proprietà del materiale riducendo gli elettroni e introducendo i cosiddetti buchi, cioè il drogaggio dei fori. Gli esperimenti mostrano che, sebbene questi due tipi di materiali abbiano strutture di base simili, mostrano proprietà superconduttrici significativamente diverse.
È particolarmente degno di nota il fatto che la temperatura critica più alta si verifica solitamente sul lato del drogaggio del foro. I ricercatori avrebbero potuto aspettarsi che, migliorando l’interazione tra elettroni e fluttuazioni di spin, o aumentando la frequenza delle fluttuazioni correlate, avrebbero potuto aumentare ulteriormente la temperatura critica del superconduttore. Tuttavia, dopo aver confrontato i nuovi risultati della ricerca con precedenti studi su campi magnetici elevati su materiali drogati con lacune, il team ha scoperto che le cose non sono così semplici.
I ricercatori ritengono che oltre alle fluttuazioni dello spin, potrebbe esserci un altro fattore importante che non è stato ancora completamente identificato, che aiuta i materiali drogati con lacune a raggiungere temperature critiche superconduttrici più elevate. In altre parole, la ricerca attuale trova un pezzo importante del puzzle, ma non riesce ancora a mettere insieme il quadro completo.
L'importanza di questa scoperta è che aiuta gli scienziati a restringere ulteriormente la portata sconosciuta della teoria della superconduttività ad alta temperatura. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno accumulato una grande quantità di dati sui cambiamenti nel comportamento elettronico, nel magnetismo e nella resistenza dei cuprati, ma hanno faticato a individuare ciò che effettivamente guida l’accoppiamento dei superconduttori. Ora, collegando il comportamento di diffusione degli elettroni alla temperatura critica, i ricercatori hanno prove sperimentali più dirette per testare ulteriormente diversi modelli teorici.
Il gruppo di ricerca ha sottolineato che il prossimo lavoro si concentrerà sulla ricerca di altri fattori che portano a differenze nelle temperature superconduttrici di diversi materiali cuprati e sulla definizione di una teoria completa in grado di spiegare contemporaneamente il comportamento dei materiali drogati con elettroni e con lacune. Solo dopo che questi meccanismi saranno spiegati in modo più completo gli scienziati saranno in grado di prevedere in modo più affidabile quali materiali siano promettenti per la superconduttività a temperature più elevate.
Il motivo per cui la ricerca sulla superconduttività ad alta temperatura ha ricevuto ampia attenzione è che se in futuro si potranno sviluppare materiali superconduttori che operano a una temperatura più vicina alla temperatura ambiente senza richiedere pressioni estreme, il potenziale impatto sarà diffuso. Le linee elettriche superconduttrici possono ridurre le tradizionali perdite resistive, i dispositivi ad alto campo magnetico possono diventare più efficienti e anche alcune tecnologie elettroniche e quantistiche potrebbero trarne vantaggio. Tuttavia, queste applicazioni dipendono ancora dalle proprietà dei materiali, dai costi di produzione, dalla stabilità e dalle effettive condizioni ingegneristiche, e la ricerca attuale non significa che queste tecnologie saranno pienamente realizzate.
Nel complesso, questa ricerca non annuncia la scoperta della superconduttività a temperatura ambiente, né risolve l'intero meccanismo della superconduttività ad alta temperatura, ma fornisce un supporto sperimentale chiave per la teoria dell'accoppiamento con fluttuazione di spin negli ossidi di rame drogati con elettroni. Si tratta di uno sviluppo importante per il problema della superconduttività ad alta temperatura che ha lasciato perplessi la comunità dei fisici per decenni: gli scienziati stanno gradualmente passando dall’osservazione di fenomeni quantistici complessi all’identificazione dei fattori chiave che effettivamente controllano la formazione della superconduttività e la sua temperatura critica.
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