La superconduttività ad alta temperatura offre un trasporto perfetto di elettricità, ma lo fa al prezzo di un freddo estremo e di un meccanismo sempre inafferrabile. Se capito, gli scienziati potrebbero spingere la superconduttività a temperature più calde e migliorare radicalmente le reti elettriche, elettronica di consumo, e altro ancora, ma il puzzle persiste da più di 30 anni.

Ora, gli scienziati hanno aperto nuove strade avvicinandosi da un punto di vista controintuitivo:sondando i cosiddetti "metalli cattivi" che conducono male l'elettricità. I ricercatori hanno scoperto che "strisce" di carica elettronica, che può svolgere un ruolo chiave nella superconduttività, persistono a temperature sorprendentemente elevate, conducibilità di forma, e hanno proprietà dipendenti dalla direzione.

I risultati, che ha esaminato il sistema modello di materiali di ossido di nichel cresciuti su misura, sono stati pubblicati online il 28 aprile sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Questo è un passo sulla strada per risolvere il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura e il ruolo complesso delle strisce di carica, " disse Ruidan Zhong, autore principale dello studio e studente di dottorato presso la Stony Brook University. "Abbiamo catturato istantanee di strisce dinamiche che fluttuano in una fase liquida, dove hanno la libertà di allinearsi e consentire in modo intermittente il flusso di elettricità."

La collaborazione ha utilizzato la Spallation Neutron Source presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per misurare le strisce.

"Abbiamo studiato l'ordinamento delle strisce per due decenni, e gli strumenti Oak Ridge sono perfetti per esplorare nuovi territori, " ha detto il coautore John Tranquada, un fisico al Brookhaven National Laboratory del DOE. "Il segnale che cercavamo era molto debole, ed è stato sepolto in una giungla di segnali molto più forti, ma l'abbiamo trovato."

Bombardando un po' di alchimia

Per decenni gli scienziati sono stati in grado di prendere alcuni isolanti a base di ossido di rame (cuprato), il che significa che non conducono elettricità, e sostituire gli atomi per modificare il contenuto di elettroni e quindi indurre la superconduttività a temperature rigide. Mentre le strisce probabilmente svolgono un ruolo essenziale, la loro presenza e comportamento a tutte le temperature è particolarmente difficile da monitorare.

"Nei superconduttori cuprati, abbiamo imparato a rilevare le strisce di carica quando sono fissate al reticolo atomico, ma una volta che iniziano a muoversi, li perdiamo di vista, " Disse Tranquada. "Allora, invece di un composto superconduttore di lantanio, stronzio, rame, e ossigeno, abbiamo fatto un po' di alchimia per sostituire il rame con il nichel."

In un elegante processo guidato dal coautore dello studio e scienziato di Brookhaven Genda Gu, i cristalli di ossido di nichel o nichelato sono stati coltivati ​​da una fase liquida senza l'uso di alcun contenitore. Poiché offrivano una struttura simile ai cuprati, ma con un ordine di strisce più forte, le sfuggenti strisce di carica sarebbero più facili da individuare, supponendo che si possa trovare lo strumento giusto per sbirciare all'interno.

Il team si è rivolto allo spettrometro ibrido a tempo di volo (HYSPEC) presso la Spallation Neutron Source di Oak Ridge Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Lo strumento, il prodotto di una proposta sviluppata per la prima volta a Brookhaven, ha bombardato il campione di nichel con un raggio di neutroni che poi si sono dispersi sulla struttura atomica. Misurando il tempo impiegato dai neutroni dispersi per raggiungere i rivelatori, gli scienziati hanno dedotto l'energia persa o guadagnata, questo a sua volta ha rivelato la presenza o l'assenza delle strisce.

Scuole di pesci elettronici

I risultati dello scattering di neutroni, che richiedono un'intensa elaborazione informatica, fornito prove di una cosiddetta fase nematica nel nichelato.

"Le fasi nematiche elettroniche sono guidate da correlazioni elettroniche che rompono la simmetria rotazionale del reticolo cristallino del materiale, " Zhong ha detto. "Nel nichelato, questi ondulati, strisce correlate si muovono attraverso il materiale e influiscono direttamente sulla conduttività".

Come ha spiegato Tranquada, questo può essere visualizzato come scuole di lunghi, pesci snelli che nuotano attraverso una struttura sommersa.

"Si muovono stretti, altamente coordinato, e pacchi sfuggenti, " Disse Tranquada. "Nuotare con questi pesci in una direzione parallela può essere abbastanza fluido, ma nuotare contro quel gruppo coordinato in una direzione perpendicolare è impegnativo. Questo è un po' come il modo in cui la corrente viaggia attraverso il nostro nichelato e interagisce con le onde di carica".

Il modo preciso in cui queste strisce di carica persistenti e curiose influenzano la conduttività nei nichelati e, cosa più importante, negli analoghi cuprati superconduttori, rimane poco chiaro.

"Speriamo che questo lavoro offra nuove opportunità alla teoria e alla sperimentazione per esplorare la superconduttività ad alta temperatura, " Zhong ha detto. "Mentre continuiamo a mappare questi materiali, il meccanismo finirà per esaurire i posti dove nascondersi."