I fisici aprono una nuova strada verso una strana forma di superconduttività

I ricercatori hanno pubblicato un nuovo quadro teorico.

I fisici hanno identificato un meccanismo responsabile della creazione di superconduttori oscillanti, chiamati onde di coppia di densità. I risultati, che evidenziano uno stato atipico di alta superconduttività osservato in alcuni materiali come i superconduttori ad alta temperatura, sono pubblicati su Lettere di revisione fisica.

“Abbiamo scoperto che le strutture note come singolarità di Van Hove possono produrre stati modificati e oscillanti di superconduttività”, afferma Louise Santos, assistente professore di fisica alla Emory University e autrice senior dello studio. “Il nostro lavoro fornisce un nuovo quadro teorico per comprendere l’emergere di questo comportamento, un fenomeno che non è ben compreso”.

Il primo autore dello studio è Pedro Castro, uno studente laureato in fisica di Emory. I coautori sono Daniel Shaffer, borsista postdottorato nel gruppo Santos, e Yi-Ming Wu della Stanford University.

Santos è uno scienziato teorico specializzato in fisica della materia condensata. Studia le interazioni della materia quantistica – piccole cose come atomi, fotoni ed elettroni – che non si comportano secondo le leggi della fisica classica.

La superconduttività, o la capacità di alcuni materiali di condurre elettricità senza perdere energia quando vengono raffreddati a una temperatura estremamente bassa, è un esempio di comportamento quantistico interessante. Questo fenomeno fu scoperto nel 1911 quando il fisico olandese Heike Kamerling Onnes dimostrò che il mercurio perdeva la sua resistenza elettrica quando veniva raffreddato a 4 Kelvin, o meno 371 gradi. F. Si tratta di una temperatura Uranoil pianeta più freddo del sistema solare.

Gli scienziati hanno impiegato fino al 1957 per trovare una spiegazione su come e perché si verifica la superconduttività. A temperature normali, gli elettroni vagano più o meno indipendentemente. Si scontrano con altre particelle, facendole cambiare velocità e direzione e dissipando energia. Tuttavia, a temperature più basse, gli elettroni possono organizzarsi in un nuovo stato della materia.

Louise Santos, assistente professore di fisica alla Emory University, è l’autrice principale dello studio. Credito: Emory University

“Formano coppie legate insieme in uno stato collettivo che agiscono come una singola entità”, spiega Santos. “Puoi pensare a loro come ai soldati di un esercito. Se si muovono isolati, sono facili da deviare. Ma quando camminano insieme a un ritmo costante, è molto difficile destabilizzarli. Questo stato collettivo porta la corrente dentro un modo potente.”

La superconduttività ha un potenziale enorme. In teoria, potrebbe consentire alla corrente elettrica di viaggiare attraverso i fili senza riscaldarli o perdere energia. Questi fili possono quindi trasportare molta più elettricità e con molta più efficienza.

“Uno dei grandi doni della fisica è la superconduttività a temperatura ambiente, che è abbastanza pratica per le applicazioni quotidiane”, afferma Santos. “Questa svolta potrebbe cambiare la forma della civiltà”.

Molti fisici e ingegneri stanno lavorando in prima linea per rivoluzionare il modo in cui l’elettricità viene trasmessa.

Nel frattempo, la superconduttività ha già trovato applicazioni. Le bobine superconduttrici funzionano con l’energia magnetica utilizzata nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI) per la diagnosi medica. Una manciata di treni a levitazione magnetica sono ora in funzione nel mondo, costruiti su magneti superconduttori dieci volte più forti dei normali elettromagneti. I magneti si respingono quando i due poli identici si fronteggiano, generando un campo magnetico in grado di sollevare e spingere il treno.

Il Large Hadron Collider, un acceleratore di particelle che gli scienziati usano per ricercare la struttura di base dell’universo, è un altro esempio di tecnologia che funziona attraverso la superconduttività.

La superconduttività continua a essere scoperta in più materiali, compresi molti che sono superconduttori a temperature più elevate.

Uno degli obiettivi della ricerca di Santos è come le interazioni tra gli elettroni possano portare a forme di superconduttività che non possono essere spiegate dalla descrizione della superconduttività del 1957. Un esempio di un cosiddetto fenomeno esotico è la superconduttività oscillante, quando gli elettroni accoppiati danzano in onde, cambiando capacità .

In un progetto non correlato, Santos ha chiesto a Castro di indagare su alcune proprietà delle singolarità di van Hove, strutture in cui molti stati elettronici si avvicinano in energia. Il progetto Castro ha rivelato che le singolarità sembrano avere il giusto tipo di fisica per seminare superconduttori oscillanti.

Ciò ha spinto Santos e i suoi collaboratori a scavare più a fondo. Hanno scoperto un meccanismo che consentirebbe agli stati d’onda danzanti di superconduttività di emergere dalle singolarità di van Hove.

“Come fisici teorici, vogliamo essere in grado di prevedere e classificare il comportamento per capire come funziona la natura”, afferma Santos. “Poi possiamo iniziare a porre le domande tecnologiche pertinenti”.

Alcuni superconduttori ad alta temperatura, che funzionano a temperature tre volte più fredde di un congelatore domestico, hanno questo comportamento ondulatorio danzante. Capire come questo comportamento emerge dalle singolarità di van Hove fornisce agli sperimentatori una base per esplorare il mondo delle possibilità che presenta.

“Dubito che Kamerlingh Onnes stesse pensando alle levitazioni o agli acceleratori di particelle quando ha scoperto la superconduttività”, dice Santos. “Ma tutto ciò che apprendiamo sul mondo ha potenziali applicazioni”.

Riferimento: “L’emergere dell’onda Chern sovralimentata e della densità di coppia attraverso le singolarità di Van Hove di ordine superiore nel modello Haldane-Hubbard” di Pedro Castro, Daniel Shaffer, Ye-Ming Wu e Louise H. Santos, 11 luglio 2023, disponibile qui . Lettere di revisione fisica.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Il lavoro è stato finanziato dall’Office of Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.