Negli anni '80, la scoperta di superconduttori ad alta temperatura noti come cuprati ha capovolto una teoria ampiamente diffusa secondo cui i materiali superconduttori trasportano corrente elettrica senza resistenza solo a temperature molto basse di circa 30 Kelvin (o meno 406 gradi Fahrenheit). Per decenni da allora, i ricercatori sono rimasti sconcertati dalla capacità di alcuni cuprati di supercondurre a temperature superiori a 100 Kelvin (meno 280 gradi Fahrenheit).

Ora, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno svelato un indizio sulle proprietà insolite dei cuprati, e la risposta si trova in una fonte inaspettata:lo spin dell'elettrone. Il loro articolo che descrive la ricerca alla base di questa scoperta è stato pubblicato il 13 dicembre sulla rivista Scienza .

Aggiunta di spin elettronico all'equazione

Ogni elettrone è come un minuscolo magnete che punta in una certa direzione. E gli elettroni all'interno della maggior parte dei materiali superconduttori sembrano seguire la propria bussola interna. Invece di puntare nella stessa direzione, i loro spin elettronici puntano a casaccio in ogni direzione:alcuni in alto, alcuni giù, altri a sinistra o a destra.

Quando gli scienziati sviluppano nuovi tipi di materiali, di solito guardano lo spin degli elettroni dei materiali, o la direzione in cui puntano gli elettroni. Ma quando si tratta di creare superconduttori, i fisici della materia condensata non si sono tradizionalmente concentrati sulla rotazione, perché la visione convenzionalmente sostenuta era che tutte le proprietà che rendono unici questi materiali erano modellate solo dal modo in cui due elettroni interagiscono tra loro attraverso la cosiddetta "correlazione elettronica".

Ma quando un gruppo di ricerca guidato da Alessandra Lanzara, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di fisica di Charles Kittel all'Università di Berkeley, utilizzato un rivelatore unico per misurare campioni di un superconduttore cuprato esotico, Bi-2212 (bismuto stronzio calcio rame ossido), con una potente tecnica chiamata SARPES (spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angoli), hanno scoperto qualcosa che sfidava tutto ciò che avevano mai saputo sui superconduttori:un modello distinto di spin di elettroni all'interno del materiale.

"In altre parole, abbiamo scoperto che c'era una direzione ben definita in cui puntava ogni elettrone dato il suo slancio, una proprietà nota anche come blocco spin-momentum, " ha detto Lanzara. "Trovalo in superconduttori ad alta temperatura è stata una grande sorpresa."

Una nuova mappa per i superconduttori ad alta temperatura

Nel mondo dei superconduttori, "alta temperatura" significa che il materiale può condurre elettricità senza resistenza a temperature superiori a quelle previste, ma ancora a temperature estremamente fredde molto al di sotto dello zero gradi Fahrenheit. Questo perché i superconduttori devono essere straordinariamente freddi per trasportare elettricità senza alcuna resistenza. A quelle basse temperature, gli elettroni sono in grado di muoversi in sincronia l'uno con l'altro e non vengono colpiti dagli atomi che oscillano, causando resistenza elettrica.

E all'interno di questa classe speciale di materiali superconduttori ad alta temperatura, cuprates sono alcuni dei migliori interpreti, portando alcuni ricercatori a credere di avere un potenziale utilizzo come nuovo materiale per la costruzione di cavi elettrici super efficienti in grado di trasportare energia senza alcuna perdita di quantità di moto degli elettroni, ha detto il co-autore Kenneth Gotlieb, chi era un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Lanzara al momento della scoperta. Capire cosa fa funzionare alcuni superconduttori cuprati esotici come il Bi-2212 a temperature fino a 133 Kelvin (circa -220 gradi Fahrenheit) potrebbe rendere più facile realizzare un dispositivo pratico.

Tra i materiali molto esotici studiati dai fisici della materia condensata, ci sono due tipi di interazioni elettroniche che danno origine a nuove proprietà per nuovi materiali, compresi i superconduttori, disse Gotlieb. Gli scienziati che hanno studiato i superconduttori cuprati si sono concentrati solo su una di queste interazioni:la correlazione elettronica.

L'altro tipo di interazione elettronica che si trova nei materiali esotici è "l'accoppiamento spin-orbita, il modo in cui il momento magnetico dell'elettrone interagisce con gli atomi nel materiale.

L'accoppiamento spin-orbita è stato spesso trascurato negli studi sui superconduttori cuprati, perché molti presumevano che questo tipo di interazione elettronica sarebbe debole rispetto alla correlazione elettronica, ha detto il co-autore Chiu-Yun Lin, un ricercatore nella divisione di scienze dei materiali del laboratorio e un dottorato di ricerca. studente presso il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley. Quindi, quando hanno trovato l'insolito schema di rotazione, Lin ha detto che sebbene fossero rimasti piacevolmente sorpresi da questa scoperta iniziale, non erano ancora sicuri se fosse una "vera" proprietà intrinseca del materiale Bi-2212, o un effetto esterno causato dal modo in cui la luce laser ha interagito con il materiale nell'esperimento.

Fare luce sullo spin degli elettroni con SARPES

Nel corso di quasi tre anni, Gotlieb e Lin hanno usato il rilevatore SARPES per mappare accuratamente lo schema di rotazione nel laboratorio di Lanzara. Quando avevano bisogno di energie fotoniche più elevate per eccitare una gamma più ampia di elettroni all'interno di un campione, i ricercatori hanno spostato il rilevatore accanto al sincrotrone del Berkeley Lab, la Sorgente Luminosa Avanzata (ALS), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE degli Stati Uniti specializzata in energia ridotta, Luce a raggi X "soffusa" per lo studio delle proprietà dei materiali.

Il rivelatore SARPES è stato sviluppato da Lanzara, insieme ai coautori Zahid Hussain, l'ex deputato della Divisione SLA, e Chris Jozwiak, uno scienziato del personale SLA. Il rivelatore ha permesso agli scienziati di sondare le proprietà elettroniche chiave degli elettroni, come la struttura della banda di valenza.

Dopo decine di esperimenti alla SLA, dove il team di ricercatori ha collegato il rivelatore SARPES a Beamline 10.0.1 in modo da poter accedere a questa potente luce per esplorare lo spin degli elettroni che si muovono con un momento molto più elevato attraverso il superconduttore rispetto a quelli a cui potevano accedere in laboratorio, hanno scoperto che il modello di spin distinto di Bi-2212, chiamato "spin diverso da zero", era un vero risultato, ispirandoli a fare ancora più domande. "Rimangono molte domande irrisolte nel campo della superconduttività ad alta temperatura, " ha detto Lin. "Il nostro lavoro fornisce nuove conoscenze per comprendere meglio i superconduttori cuprati, che può essere un elemento costitutivo per risolvere queste domande".

Lanzara ha aggiunto che la loro scoperta non sarebbe potuta avvenire senza la collaborazione "team science" del Berkeley Lab, un laboratorio nazionale DOE con legami storici con la vicina UC Berkeley. "Questo lavoro è un tipico esempio di dove può andare la scienza quando persone con esperienza nelle discipline scientifiche si incontrano, e come la nuova strumentazione può spingere i confini della scienza, " lei disse.