La nuova lega del Rice Center for Quantum Material è il primo superconduttore a base di ferro che può essere sintonizzato continuamente dalla fase superconduttiva alla fase isolante di Mott. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
I fisici del Center for Quantum Materials (RCQM) della Rice University hanno creato un nuovo materiale a base di ferro che offre indizi sulle origini microscopiche della superconduttività ad alta temperatura.
Il materiale, una formulazione di ferro, sodio, rame e arsenico creato dallo studente laureato Rice Yu Song nel laboratorio del fisico Pengcheng Dai, è descritto questa settimana sul giornale Comunicazioni sulla natura .
Dai ha detto che la ricetta di Song, che consiste nel mescolare gli ingredienti in un'atmosfera di puro argon, sigillandoli in contenitori di niobio e cuocendoli a quasi 1, 000 gradi Celsius:produce una lega stratificata in cui ferro e rame si separano in strisce alternate. Questa striscia è fondamentale per l'utilità del materiale nello spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura, ha affermato il direttore di RCQM Qimiao Si.
"Formando questo modello regolare, Yu Song ha rimosso fisicamente il disordine dal sistema, e questo è di fondamentale importanza per poter dire qualcosa di significativo su ciò che sta accadendo elettronicamente, " disse Si, un fisico teorico che ha lavorato per spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura e fenomeni simili per quasi due decenni.
La superconduttività ad alta temperatura è stata scoperta nel 1986. Si verifica quando gli elettroni si accoppiano e scorrono liberamente in leghe stratificate come la nuova creazione di Song. Sono state create dozzine di leghe superconduttrici ad alta temperatura. La maggior parte sono cristalli complessi che contengono un metallo di transizione, tipicamente ferro o rame, e altri elementi. I superconduttori ad alta temperatura sono in genere conduttori terribili a temperatura ambiente e diventano superconduttori solo quando vengono raffreddati a una temperatura critica.
Yu Song, studente laureato alla Rice University, ha creato un nuovo materiale dal ferro, sodio, rame e arsenico che offre ai fisici indizi sulle origini microscopiche della superconduttività ad alta temperatura. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Il problema centrale della superconduttività ad alta temperatura è comprendere la relazione precisa tra questi due stati fondamentali della materia e la transizione di fase tra di essi, " disse Dai, professore di fisica e astronomia alla Rice. "Il cambiamento macroscopico è evidente, ma le origini microscopiche del comportamento sono aperte all'interpretazione, soprattutto perché ci sono molte variabili in gioco, e la relazione tra loro è sia sinergica che non lineare."
Dai ha detto che due scuole di pensiero "si sono sviluppate fin dall'inizio di questo campo. Una era il campo itinerante, che sostiene che entrambi gli stati in ultima analisi derivano da elettroni itineranti. Dopotutto, questi materiali sono metalli, anche se possono essere metalli poveri."
L'altro campo è il campo localizzato, che sostiene che la fisica fondamentalmente nuova sorge, a causa delle interazioni elettrone-elettrone, nel punto critico in cui i materiali passano da una fase all'altra.
Dai ha detto che le misurazioni sul nuovo materiale di Song supportano la teoria localizzata. In particolare, il nuovo materiale è il primo membro di una classe di superconduttori a base di ferro chiamati pnictides (pronunciato NIK-tides) che possono essere sintonizzati tra due fasi concorrenti:la fase superconduttiva in cui gli elettroni fluiscono senza resistenza, e una fase "isolante Mott" in cui gli elettroni si bloccano in posizione e non fluiscono affatto.
La struttura cristallina del nuovo materiale stratificato comprende strisce alternate di ferro (blu) e rame (rosso). Lo striping è fondamentale per l'utilità del materiale nello spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura. Credito:Yu Song/Rice University
"La scoperta che ha fatto Yu Song è che questo materiale è più correlato, che è evidente a causa della fase isolante di Mott, "Ha detto Dai. "Questa è la prima volta che qualcuno ha segnalato un superconduttore a base di ferro che può essere continuamente sintonizzato dalla fase superconduttiva alla fase isolante Mott".
Sono stati realizzati campioni e sono stati eseguiti alcuni test presso RCQM. Ulteriori test sono stati eseguiti presso il Canadian Neutron Beam Centre di Chalk River Laboratories in Ontario, il Centro per la ricerca sui neutroni dell'Istituto nazionale per gli standard e la tecnologia nel Maryland, Laboratorio nazionale Brookhaven a New York, L'High Flux Isotope Reactor dell'Oak Ridge National Laboratory in Tennessee e la linea di luce Advanced Resonant Spectroscopes del Paul Scherrer Institute in Svizzera.
"Nel giornale, abbiamo mostrato che se l'interazione era debole, quindi anche sostituire il 50 percento del ferro con il rame non sarebbe ancora sufficiente per produrre lo stato isolante, " Si ha detto. "Il fatto che i nostri sperimentatori siano riusciti a trasformare il sistema in un isolante di Mott fornisce quindi prove dirette di forti interazioni elettrone-elettrone nei pnictidi di ferro. Questo è un importante passo avanti perché suggerisce che la superconduttività dovrebbe essere legata a queste forti correlazioni elettroniche".
