Immagina telefoni e laptop che non si scaldano mai o reti elettriche che non perdono mai energia. Questo è il sogno degli scienziati che lavorano con i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, che può trasportare senza sforzo correnti elettriche senza resistenza. I primi materiali superconduttori ad alta temperatura, chiamati cuprati, furono scoperti negli anni '80 e in seguito sarebbero stati oggetto di un premio Nobel. Il termine "alta temperatura" è relativo:questi materiali operano a temperature gelide fino a meno 135 gradi Celsius, un po' più alti delle loro controparti tradizionali, che funzionano a temperature ancora più fredde vicino allo zero assoluto (meno 273 gradi Celsius).

Nonostante il fatto che i superconduttori ad alta temperatura siano stati scoperti tre decenni fa, i ricercatori si stanno ancora grattando la testa su come funzionano i materiali. Gli scienziati sanno che la risposta è legata agli elettroni che si uniscono a coppie, come incollati insieme, ma la natura della "colla" elettronica che li lega è sconosciuta. Individuare la colla potrebbe in definitiva portare alla creazione di materiali superconduttori a temperatura ambiente e aprire la strada a computer a risparmio energetico e a una serie di altre innovazioni, come i treni levitanti.

Garnet Chan di Caltech, Bren Professore di Chimica, sta tentando di risolvere il problema con un approccio leggermente diverso:la chimica quantistica. Lui e i suoi colleghi sviluppano simulazioni numeriche che, usando le equazioni della meccanica quantistica, mappare i moti fluidi degli elettroni in vari materiali. In un nuovo articolo sulla rivista Scienza , hanno dimostrato che i materiali superconduttori ad alta temperatura si ordinano in uno schema a strisce di cariche - ciò che Chan e colleghi chiamano "fiumi di carica" ​​- appena prima di diventare superconduttori. Effettuando simulazioni numeriche incredibilmente precise, Chan ei suoi collaboratori sono stati in grado di escludere tutti gli altri modelli di accuse candidati a favore dello stato a strisce.

Hanno inoltre esaminato cosa succede quando le strisce vengono schiacciate insieme, uno scenario probabile che si verifichi dalle fluttuazioni naturali dei modelli, e scoprì che gli elettroni si accoppiavano spontaneamente. In altre parole, i fiumi di carica sono strettamente correlati alla colla elettronica a lungo cercata. Questa scoperta costituisce un indizio significativo nella corsa per risolvere il problema della superconduttività ad alta temperatura.

"Mi piacciono i problemi su cui le persone hanno sbattuto la testa per decenni, e penso che molti scienziati sarebbero d'accordo sul fatto che la superconduttività ad alta temperatura è probabilmente uno dei fenomeni più sconcertanti osservati nei materiali, " dice Chan. "Anche se la possibilità per il comportamento a strisce era stata sollevata in precedenza, era solo uno tra una moltitudine di modelli concorrenti candidati. Per di più, la gente non aveva idea se tali strisce fossero o meno buone per la superconduttività o se di fatto uccidessero lo stato superconduttore. I nostri risultati non solo mostrano che le strisce sono reali, ma che hanno un'intima connessione con il modo in cui nasce la superconduttività".

Nel nuovo studio, Chan e collaboratori di diverse istituzioni hanno utilizzato quattro tipi molto diversi di metodi numerici per simulare materiali superconduttori ad alta temperatura. Generalmente, gli scienziati descrivono questi materiali utilizzando il modello Hubbard, un modello matematico sviluppato negli anni '60 che spiega il comportamento elettronico di molti materiali, in particolare quelli che presentano una superconduttività ad alta temperatura. Sebbene le equazioni del modello di Hubbard siano relativamente semplici, risolverli per il comportamento degli elettroni richiede potenza di calcolo. È qui che hanno aiutato i nuovi metodi numerici:hanno previsto come gli elettroni sono organizzati nei materiali con maggiore precisione, e hanno mostrato che le cariche si organizzano spontaneamente nei modelli a strisce.

"Abbiamo fornito una soluzione numerica definitiva a uno dei modelli più importanti della fisica della materia condensata, che ha forti connessioni con la superconduttività ad alta temperatura, "dice Bo-Xiao Zheng, autore principale dello studio ed ex studente di dottorato al Caltech e Princeton. "Cosa c'è di più, abbiamo utilizzato quattro simulazioni numeriche indipendenti per giungere alla stessa conclusione, un necessario controllo incrociato dati i comportamenti complessi possibili in questi materiali".

"Questo mette a posto un pezzo importante nel puzzle di come funzionano i superconduttori ad alta temperatura, " dice Chan. "A sua volta, questo fornisce ottimismo sul fatto che un giorno sarà possibile una piena comprensione".