Le prestazioni perfette dei superconduttori potrebbero rivoluzionare tutto, dall'infrastruttura elettrica su scala di rete all'elettronica di consumo, se solo potessero essere costretti a operare al di sopra delle temperature rigide. Anche i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura (HTS) devono essere raffreddati a centinaia di gradi Fahrenheit sotto lo zero.

Ora, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Brookhaven National Laboratory e della Yale University hanno scoperto nuovi, comportamento sorprendente degli elettroni in un materiale HTS. I risultati, pubblicato il 27 luglio sulla rivista Natura , descrivono il flusso di elettroni che rompono la simmetria attraverso i superconduttori di ossido di rame (cuprato). Il comportamento può essere collegato al meccanismo sempre sfuggente dietro HTS.

"La nostra scoperta sfida una pietra angolare della fisica della materia condensata, " ha detto l'autore principale e fisico del Brookhaven Lab Jie Wu. "Questi elettroni sembrano 'scegliere' spontaneamente i propri percorsi attraverso il materiale, un fenomeno in diretta opposizione alle aspettative".

Elettroni fuoristrada

Nei metalli semplici, gli elettroni si muovono in modo uniforme e senza preferenze direzionali:pensa a un liquido che si diffonde su una superficie. I materiali HTS in questo studio sono stratificati con simmetria rotazionale quadrupla della struttura cristallina. Si prevede che la corrente elettrica fluisca uniformemente parallelamente a questi strati, ma questo non è ciò che ha osservato il gruppo di Brookhaven.

"Vengo dal Midwest, dove miglia di terra coltivata separano le città, " ha detto il fisico di Brookhaven e coautore dello studio Anthony Bollinger. "Le strade di campagna tra le città sono in gran parte disposte come una griglia che va da nord a sud e da est a ovest. Ti aspetti che le auto seguano la griglia, che è fatto su misura per loro. Questa rottura di simmetria è come se tutti decidessero di lasciare le strade asfaltate e attraversare i campi dei contadini".

In un'altra svolta, la tensione di rottura della simmetria è persistita fino alla temperatura ambiente e attraverso l'intera gamma di composizioni chimiche esaminate dagli scienziati.

"Gli elettroni in qualche modo coordinano il loro movimento attraverso il materiale, anche dopo che la superconduttività fallisce, " disse Wu.

Forti interazioni elettrone-elettrone possono aiutare a spiegare la direzione preferenziale del flusso di corrente. A sua volta, queste stranezze elettroniche intrinseche possono condividere una relazione con i fenomeni HTS e offrire un suggerimento per decodificare il suo meccanismo sconosciuto.

Alla ricerca della perfezione atomica

A differenza della ben nota superconduttività classica, HTS ha sconcertato gli scienziati per più di tre decenni. Ora, tecniche avanzate stanno offrendo spunti senza precedenti.

"La parte più difficile di tutto il lavoro - e ciò che aiuta a distinguerci - è stata la meticolosa sintesi dei materiali, ", ha detto il coautore dello studio Xi He.

Questo lavoro faceva parte di un progetto più ampio che ha richiesto 12 anni e comprendeva la sintesi e lo studio di più di 2, 000 film di superconduttori di lantanio-stronzio-ossido di rame.

"Questa scala di ricerca è adatta a un ambiente di laboratorio nazionale, " ha detto Ivan Bozovic, che guida il gruppo Brookhaven dietro lo sforzo.

Usano una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE) per assemblare ossidi complessi uno strato atomico alla volta. Per garantire la perfezione strutturale, gli scienziati caratterizzano i materiali in tempo reale con la diffrazione elettronica, dove un fascio di elettroni colpisce il campione e i rivelatori sensibili misurano con precisione come si disperde.

"Il materiale stesso è il nostro fondamento, e deve essere il più impeccabile possibile garantire che le proprietà osservate siano intrinseche, " ha detto Bozovic. "Inoltre, in virtù della nostra sintesi 'digitale', progettiamo i film a livello di strato atomico, e ottimizzarli per diversi studi."

Nuotare contro corrente

Il primo importante risultato di questo studio completo del gruppo MBE di Brookhaven è stato pubblicato in Natura l'anno scorso. Ha dimostrato che lo stato superconduttore nei materiali di ossido di rame è piuttosto insolito, sfidare la comprensione standard.

Tale scoperta suggeriva che il cosiddetto stato metallico "normale", che si forma al di sopra della soglia di temperatura critica alla quale si rompe la superconduttività, potrebbe anche essere straordinario. Guardando attentamente, gli scienziati hanno osservato che mentre la corrente esterna scorreva attraverso i campioni, una tensione spontanea emerse inaspettatamente perpendicolare a quella corrente.

"Abbiamo osservato per la prima volta questa bizzarra tensione oltre un decennio fa, ma noi e altri l'abbiamo scartato come una sorta di errore, " ha detto Bollinger. "Ma poi si è presentato di nuovo, e di nuovo, e ancora, in condizioni sempre più controllate, e abbiamo esaurito i modi per spiegarlo. Quando finalmente ci siamo tuffati, i risultati hanno superato le nostre aspettative."

Per individuare l'origine del fenomeno, gli scienziati hanno fabbricato e misurato migliaia di dispositivi modellati sui film HTS. Hanno studiato come questa tensione spontanea dipende dalla direzione della corrente, temperatura, e la composizione chimica (il livello di doping da parte dello stronzio, che controlla la densità elettronica). Hanno anche variato il tipo e la struttura cristallina dei substrati su cui vengono coltivati ​​i film HTS, e anche come vengono lucidati i substrati.

Questi studi meticolosi hanno mostrato senza dubbio che l'effetto è intrinseco al materiale HTS stesso, e che la sua origine è puramente elettronica.

A livello molecolare, i liquidi comuni hanno lo stesso aspetto in ogni direzione. Alcuni, però, sono costituiti da molecole simili a bastoncini, che tendono ad allinearsi in una direzione preferita. Tali materiali sono chiamati cristalli liquidi:polarizzano la luce e sono ampiamente utilizzati nei display. Mentre gli elettroni nei metalli comuni si comportano come un liquido, nei cuprati si comportano come un cristallo liquido elettronico.

"Dobbiamo capire come questo comportamento degli elettroni si inserisce nel puzzle HTS nel suo insieme, " Ha detto. "Questo studio ci dà nuove idee da perseguire e modi per affrontare quello che potrebbe essere il più grande mistero nella fisica della materia condensata. Sono entusiasta di vedere dove ci porterà questa ricerca".