Una rappresentazione artistica dei dati che mostra la rottura dell'inversione spaziale e delle simmetrie rotazionali nella regione dello pseudogap dei materiali superconduttori:prova che lo pseudogap è una fase distinta della materia. Anelli di luce riflessa da un superconduttore rivelano le simmetrie spezzate. Credito:Hsieh Lab/Caltech
Uno dei più grandi misteri della fisica sperimentale è come funzionano i cosiddetti materiali superconduttori ad alta temperatura. Nonostante il loro nome, i superconduttori ad alta temperatura, materiali che trasportano corrente elettrica senza resistenza, funzionano a temperature fredde inferiori a meno 135 gradi Celsius. Possono essere utilizzati per realizzare cavi di alimentazione superefficienti, risonanza magnetica medica, acceleratori di particelle, e altri dispositivi. Sbrogliare il mistero di come funzionano effettivamente questi materiali potrebbe portare a dispositivi superconduttori che funzionano a temperatura ambiente e potrebbero rivoluzionare i dispositivi elettrici, compresi laptop e telefoni.
In un nuovo articolo sulla rivista Fisica della natura , i ricercatori del Caltech hanno finalmente risolto un pezzo di questo puzzle duraturo. Hanno confermato che una fase di transizione della materia chiamata pseudogap, che si verifica prima che questi materiali si raffreddino per diventare superconduttori, rappresenta uno stato distinto della materia, con proprietà molto diverse da quelle dello stesso stato superconduttore.
Quando la materia passa da uno stato, o fase, a un altro - dire, l'acqua si congela in ghiaccio:c'è un cambiamento nel modello di ordinamento delle particelle dei materiali. I fisici in precedenza avevano rilevato indizi di un qualche tipo di ordinamento degli elettroni all'interno dello stato di pseudogap. Ma fino ad ora non era chiaro esattamente come stavano ordinando e se quell'ordinamento costituisse un nuovo stato della materia.
"Una proprietà peculiare di tutti questi superconduttori ad alta temperatura è che appena prima di entrare nello stato superconduttore, invariabilmente prima entrano nello stato di pseudogap, le cui origini sono ugualmente, se non più misteriose, dello stesso stato superconduttore, "dice David Hsieh, professore di fisica al Caltech e ricercatore principale della nuova ricerca. "Abbiamo scoperto che nello stato di pseudogap, gli elettroni formano uno schema molto insolito che rompe quasi tutte le simmetrie dello spazio. Ciò fornisce un indizio molto convincente sull'effettiva origine dello stato di pseudogap e potrebbe portare a una nuova comprensione di come funzionano i superconduttori ad alta temperatura".
Il fenomeno della superconduttività è stato scoperto per la prima volta nel 1911. Quando alcuni materiali vengono raffreddati a temperature super fredde, fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto (pochi gradi Kelvin), trasportano corrente elettrica senza resistenza, in modo che non si disperda né calore né energia. In contrasto, i nostri laptop non sono realizzati con materiali superconduttori e quindi sperimentano resistenza elettrica e si surriscaldano.
Il raffreddamento di materiali a temperature estremamente basse richiede elio liquido. Però, perché l'elio liquido è raro e costoso, i fisici sono alla ricerca di materiali che possono funzionare come superconduttori a temperature sempre più elevate. I cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, scoperto nel 1986, sono ora noti per funzionare a temperature fino a 138 Kelvin (meno 135 gradi Celsius) e quindi possono essere raffreddati con azoto liquido, che è più conveniente dell'elio liquido. La domanda che è sfuggita ai fisici, tuttavia, nonostante i tre premi Nobel assegnati fino ad oggi nel campo della superconduttività, è esattamente il modo in cui funzionano i superconduttori ad alta temperatura.
La danza degli elettroni superconduttori
I materiali diventano superconduttori quando gli elettroni superano la loro naturale repulsione e formano coppie. Questo abbinamento può avvenire a temperature estremamente fredde, permettendo agli elettroni, e le correnti elettriche che trasportano, muoversi senza ostacoli. Nei superconduttori convenzionali, l'accoppiamento di elettroni è causato da vibrazioni naturali nel reticolo cristallino del materiale superconduttore, che agiscono come colla per tenere insieme le coppie.
Ma nei superconduttori ad alta temperatura, questa forma di "colla" non è abbastanza forte da legare le coppie di elettroni. I ricercatori pensano che lo pseudogap, e come gli elettroni si ordinano in questa fase, contiene indizi su ciò che questa colla può costituire per i superconduttori ad alta temperatura. Per studiare l'ordinamento degli elettroni nello pseudogap, Hsieh e il suo team hanno inventato un nuovo metodo basato sul laser chiamato anisotropia rotazionale ottica non lineare. Nel metodo, un laser è puntato sul materiale superconduttore; in questo caso, cristalli di ossido di ittrio bario rame (YBa2Cu3Oy). Un'analisi della luce riflessa indietro a metà della lunghezza d'onda rispetto a quella che entra rivela qualsiasi simmetria nella disposizione degli elettroni nei cristalli.
Le simmetrie rotte indicano una nuova fase
Diverse fasi della materia hanno simmetrie distinte. Per esempio, quando l'acqua si trasforma in ghiaccio, i fisici dicono che la simmetria è stata "rotta".
"In acqua, "Hsieh spiega, "Le molecole di H2O sono orientate in modo abbastanza casuale. Se stavi nuotando in una pozza d'acqua infinita, l'ambiente circostante sembra lo stesso, non importa dove ti trovi. nel ghiaccio, d'altra parte, le molecole di H2O formano una rete periodica regolare, quindi se ti immagini immerso in un infinito blocco di ghiaccio, l'ambiente circostante appare diverso a seconda che tu sia seduto su un atomo di H o di O. Perciò, diciamo che la simmetria traslazionale dello spazio si rompe nell'andare dall'acqua al ghiaccio».
Con il nuovo strumento, Il team di Hsieh è stato in grado di dimostrare che gli elettroni raffreddati alla fase pseudogap hanno rotto un insieme specifico di simmetrie spaziali chiamate inversione e simmetria rotazionale. "Non appena il sistema è entrato nella regione dello pseudogap, in funzione della temperatura o della quantità di ossigeno nel composto, c'era una perdita di inversione e simmetrie rotazionali, indicando chiaramente una transizione verso una nuova fase della materia, "dice Liuyan Zhao, uno studioso postdottorato nel laboratorio di Hsieh e autore principale del nuovo studio. "È entusiasmante che stiamo utilizzando una nuova tecnologia per risolvere un vecchio problema".
"La scoperta dell'inversione rotta e delle simmetrie rotazionali nello pseudogap restringe drasticamente l'insieme delle possibilità su come gli elettroni si auto-organizzano in questa fase, " dice Hsieh. "In un certo senso, questa fase insolita potrebbe rivelarsi l'aspetto più interessante di questi materiali superconduttori".
Con un pezzo del puzzle risolto, i ricercatori sono al prossimo. Vogliono sapere quale ruolo gioca questo ordinamento degli elettroni nello pseudogap nell'indurre la superconduttività ad alta temperatura e come farlo accadere a temperature ancora più elevate.
