Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy e della Stanford University hanno dimostrato che i superconduttori a base di rame, o cuprati - la prima classe di materiali trovati per trasportare elettricità senza perdita a temperature relativamente elevate - contengono strisce fluttuanti di carica di elettroni e spin che si snodano come rivoli su un terreno accidentato.

Le strisce sono zone in cui gli elettroni si accumulano, creando bande di carica negativa, o allineare i loro giri per creare bande di magnetismo. In precedenza si sapeva che esistevano in superconduttori cuprati a temperature vicine allo zero assoluto, anche se in questo freddo profondo le strisce non si sono mosse e il loro esatto ruolo nella superconduttività - la potenziano o la soffocano? – è stato poco chiaro.

Ora i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta in modo computazionale che queste strisce esistono anche ad alte temperature, ma sono sottili e fluttuano in un modo che potrebbe essere scoperto solo attraverso simulazioni numeriche al computer di una precisione e una scala mai viste prima. Gli scienziati hanno descritto il loro studio in Scienza oggi.

"C'è motivo di pensare che le strisce di carica e rotazione possano essere intimamente legate all'emergere della superconduttività ad alta temperatura in questi materiali, che è stato scoperto 30 anni fa ma finora non è stato compreso o spiegato, " ha detto Edwin Huang, uno studente laureato in fisica a Stanford e presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) allo SLAC.

"Questa scoperta di strisce fluttuanti in un modello di computer realistico ci darà un modo per testare le molte teorie su come le strisce sono legate alla superconduttività, " Huang ha detto. "Pensiamo che i nostri risultati saranno utili per gli scienziati che fanno studi sperimentali su questi materiali, e aiuteranno anche a sviluppare e perfezionare le tecniche computazionali che vanno di pari passo con la teoria e gli esperimenti per portare avanti il ​​campo".

I risultati si applicano anche ad altri nuovi materiali, ha affermato il Direttore SIMES Thomas Devereaux. "I materiali che sviluppano spontaneamente questo tipo di struttura non uniforme sono abbastanza comuni, compresi magneti e ferroelettrici, " ha detto. "Può anche essere pensato come una firma di materiali 'quantici', le cui proprietà sorprendenti sono prodotte da elettroni che cooperano in modi inaspettati. I nostri risultati numerici dimostrano che questo fenomeno può essere generalmente correlato a forti interazioni tra cariche di elettroni e spin".

Un misterioso fenomeno

Nei conduttori elettrici convenzionali, la corrente è trasmessa da elettroni che agiscono individualmente. Ma nei superconduttori, gli elettroni si accoppiano per trasmettere corrente praticamente senza perdite.

Per 75 anni dopo la loro scoperta, tutti i superconduttori conosciuti operavano solo a temperature prossime allo zero assoluto, limitando il modo in cui potrebbero essere utilizzati.

Che è cambiato nel 1986, quando gli scienziati hanno scoperto che i cuprati potevano essere superconduttori a temperature molto più elevate (sebbene ancora piuttosto fredde). Infatti, alcuni composti cuprati sono superconduttori a temperature superiori a 100 kelvin, o meno 173 gradi Celsius, consentendo lo sviluppo di tecnologie superconduttive che possono essere raffreddate con azoto liquido.

Ma i ricercatori sono ancora lontani dal loro obiettivo di trovare superconduttori che operino a temperatura ambiente per linee elettriche altamente efficienti, treni maglev e altre applicazioni che potrebbero avere un profondo impatto sulla società. Senza una comprensione fondamentale di come funzionano i superconduttori ad alta temperatura, i progressi sono stati lenti.

La modellazione al computer è uno strumento fondamentale per raggiungere tale comprensione. I modelli sono insiemi di equazioni matematiche basate sulla fisica che i teorici creano e perfezionano continuamente per simulare il comportamento di un materiale utilizzando algoritmi informatici. Controllano i loro modelli rispetto alle osservazioni e ai risultati sperimentali per assicurarsi che siano sulla strada giusta.

In questo caso, il team ha modellato il comportamento e le interazioni degli elettroni in uno degli strati di ossido di rame di un cuprato, che è dove accade la fisica interessante, ha affermato lo scienziato dello staff SIMES Brian Moritz. I calcoli sono stati eseguiti sul cluster di supercomputer Sherlock di Stanford presso lo SLAC e presso il National Energy Research Scientific Computing Center del DOE a Berkeley.

I risultati erano in buon accordo con i dati degli esperimenti di diffusione di neutroni su una varietà di cuprati, gli scienziati hanno detto, confermando che le loro simulazioni catturano accuratamente la fisica elettronica di questi materiali.

Un modello più accurato

Questa è la prima volta che il comportamento ad alta temperatura dei cuprati è stato simulato con un modello realistico che copre un'area sufficientemente ampia del materiale per vedere strisce fluttuanti, ha detto Huang. Questa scala più grande rende anche i calcoli più accurati.

"C'era un buon equilibrio che dovevamo trovare, " ha detto. "Questi sono calcoli estremamente impegnativi dal punto di vista computazionale. Ma se si simula il comportamento di aree più piccole, non sarai in grado di vedere le strisce che emergono. Questo era il limite principale degli studi precedenti".

Le simulazioni mostrano che le strisce emergono a temperature fino a 600 gradi Celsius e in un'ampia gamma di condizioni di drogaggio, dove i composti vengono aggiunti a un materiale per modificarne il comportamento elettronico, e quindi sembrano essere un tratto universale dei superconduttori cuprati, hanno detto i ricercatori.

"L'idea che ci siano strisce fluttuanti nei cuprati non è nuova, ma è stato un argomento controverso per molti anni, " Ha detto Huang. "La novità è che possiamo supportare la loro esistenza utilizzando calcoli imparziali su un modello realistico di questi materiali".

Una cosa che lo studio non fa, Ha aggiunto, è rispondere alla domanda se o come le strisce fluttuanti si inseriscano nella superconduttività:"Questa è la direzione verso cui vogliamo andare".