I superconduttori trasportano elettricità con perfetta efficienza, a differenza degli inevitabili sprechi insiti nei conduttori tradizionali come il rame. Ma quella perfezione arriva al prezzo del freddo estremo:anche la cosiddetta superconduttività ad alta temperatura (HTS) emerge solo ben al di sotto dello zero gradi Fahrenheit. La scoperta del meccanismo sempre sfuggente dietro HTS potrebbe rivoluzionare tutto, dalle reti elettriche regionali alle turbine eoliche.

Ora, una collaborazione guidata dal Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha scoperto una sorprendente rottura nelle interazioni degli elettroni che potrebbe essere alla base di HTS. Gli scienziati hanno scoperto che quando la superconduttività svanisce a temperature più elevate, potenti onde di elettroni iniziano a disaccoppiarsi in modo curioso e si comportano in modo indipendente, come le onde dell'oceano che si dividono e si increspano in direzioni diverse.

"Per la prima volta, abbiamo individuato queste interazioni chiave degli elettroni che si verificano dopo che la superconduttività si è abbassata, " ha detto il primo autore e ricercatore associato al Brookhaven Lab Hu Miao. "Il ritratto è allo stesso tempo più strano e più emozionante di quanto ci aspettassimo, e offre nuovi modi per comprendere e potenzialmente sfruttare questi materiali straordinari".

Il nuovo studio, pubblicato il 7 novembre sulla rivista PNAS , esplora la sconcertante interazione tra due proprietà quantistiche chiave degli elettroni:spin e carica.

"Sappiamo che carica e spin si agganciano e formano onde negli ossidi di rame raffreddati a temperature superconduttive, " ha detto Mark Dean, autore senior dello studio e fisico del Brookhaven Lab. "Ma non ci siamo resi conto che queste onde di elettroni persistono ma sembrano disaccoppiarsi a temperature più elevate".

Strisce e onde elettroniche

Gli scienziati del Brookhaven Lab hanno scoperto nel 1995 che la rotazione e la carica possono bloccarsi insieme e formare "strisce" spazialmente modulate a basse temperature in alcuni materiali HTS. Altri materiali, però, presentano cariche di elettroni correlate che rotolano come onde di densità di carica che sembrano ignorare completamente lo spin. Approfondendo il mistero di HTS, carica e rotazione possono anche abbandonare l'indipendenza e collegarsi insieme.

"Il ruolo di queste 'strisce' e delle onde correlate nella superconduttività ad alta temperatura è oggetto di accesi dibattiti, "Miao ha detto. "Alcuni elementi possono essere essenziali o solo un piccolo pezzo del puzzle più grande. Avevamo bisogno di un quadro più chiaro dell'attività degli elettroni attraverso le temperature, in particolare i segnali fugaci a temperature più calde".

Immagina di conoscere la precisa struttura chimica del ghiaccio, Per esempio, ma non avendo idea di cosa succede mentre si trasforma in liquido o vapore. Con questi superconduttori di ossido di rame, o cuprati, c'è un mistero paragonabile, ma nascosto all'interno di materiali molto più complessi. Ancora, gli scienziati avevano essenzialmente bisogno di prendere un campione gelido e riscaldarlo meticolosamente per monitorare esattamente come cambiano le sue proprietà.

Segnali sottili in materiali su misura

Il team si è rivolto a un materiale HTS ben consolidato, ossidi di rame di lantanio-bario (LBCO) noti per le forti formazioni a strisce. Genda Gu, scienziato del Brookhaven Lab, ha preparato meticolosamente i campioni e personalizzato le configurazioni degli elettroni.

"Non possiamo avere anomalie strutturali o atomi erranti in questi cuprati:devono essere perfetti, " Ha detto Dean. "Genda è tra i migliori al mondo nella creazione di questi materiali, e siamo fortunati ad avere il suo talento così a portata di mano".

A basse temperature, i segnali degli elettroni sono potenti e facilmente rilevabili, il che è parte del motivo per cui la loro scoperta è avvenuta decenni fa. Per eliminare i segnali più sfuggenti a temperature più elevate, la squadra aveva bisogno di una sensibilità senza precedenti.

"Ci siamo rivolti alla European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia per il lavoro sperimentale chiave, "Miao ha detto. "I nostri colleghi gestiscono una linea di luce che sintonizza attentamente l'energia dei raggi X per entrare in risonanza con elettroni specifici e rilevare piccoli cambiamenti nel loro comportamento".

Il team ha utilizzato una tecnica chiamata diffusione anelastica risonante di raggi X (RIXS) per tracciare la posizione e la carica degli elettroni. Un fascio di raggi X focalizzato colpisce il materiale, deposita un po' di energia, e poi rimbalza nei rilevatori. Quei raggi X sparsi portano la firma degli elettroni che colpiscono lungo la strada.

All'aumentare della temperatura nei campioni, facendo svanire la superconduttività, le onde accoppiate di carica e rotazione iniziarono a sbloccarsi ea muoversi indipendentemente.

"Ciò indica che il loro accoppiamento può rafforzare la formazione delle strisce, o attraverso qualche meccanismo sconosciuto potenzia la superconduttività ad alta temperatura, "Miao ha detto. "Certamente merita un'ulteriore esplorazione attraverso altri materiali per vedere quanto sia diffuso questo fenomeno. È un'intuizione chiave, di certo, ma è troppo presto per dire come potrebbe sbloccare il meccanismo HTS."

L'ulteriore esplorazione includerà materiali HTS aggiuntivi e altre strutture di sincrotrone, in particolare la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Utilizzando nuove linee di luce a NSLS-II, avremo la libertà di ruotare il campione e sfruttare una risoluzione energetica significativamente migliore, " Dean ha detto. "Questo ci darà un quadro più completo delle correlazioni di elettroni in tutto il campione. C'è molta più scoperta in arrivo".